Рис. Строение клеточного ядра а – световая микроскопия. Нейроцит спинномозгового узла: 1 – кариолемма; 2 – кариоплазма; 3 – х роматин; 4 – Ядрышко. б – электронная микрофотограмма лимфобласта селезенки. XI5000: 1 – кариоплазма; 2 – ядрышко; 3 – кариолемма; 4 – комплекс Гольджи; 5 – митохондрии; 6 – хроматин (по Ю.И. Афанасьеву). В интерфазе хромосомы находятся в частично или полностью деконденсированном состоянии. При этом большая их часть становится невидимой в световом микроскопе. Области декондинсации хромосам являются активными, здесь идёт транскрипция ДНК. Такие области называются эухроматином. Конденсированный, или плотный хроматин имеет выраженную базофилию и виден в микроскопе. Эти неактивные участки хромосом иначе называются гетерохроматином. Гетерохроматин делится на два вида: А). Конститутивный хроматин – это такой гетерохроматин, с которого никогда ни в одной клетке не идёт считывание информации в виде и-РНК. В хромосомах это обычно области вблизи центромеров. Б). Факультативный гетерохроматин – это хроматин, количество которого заметно варьирует в разных клетках: его совсем мало в эмбриональных клетках, а по мере дифференцировки клеток содержание этого хроматина увеличивается. В клетках, синтезирующих белок количество факультативного хроматина снижено. Поскольку красителями окрашивается только гетерохроматин, то степень окраски ядра зависит от его количества. Темноокрашенное ядро обычно характерно для функционально неактивной клетки. При активации клетки соотнашение эухроматин /гетерохроматин изменяется в пользу эухроматина, и ядра функционально активных клеток светлые, слабоокрашенные. 2. Ядрышко. Это плотный структурный компонент ядра. В клетках может быть от одного до нескольких ядрышек. Ядрышко-это совокупность участков 10 хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары) (рис. 23, а). Эти участки называют ядрышковыми организаторами. Они находятся в области вторичных перетяжек хромосом и представлены многочисленными копиями генов рибосомальных РНК (рРНК). Следовательно, в ядрышках с ДНК ядрышковых организаторов происходит считывание информации в виде рибосомальной РНК. В световом микроскопе ядрышко определяется как плотно окрашенная основными красителями глобула размером от 1 до 3 мкм, не имеющая оболочки. Располагается как в центре, так и эксентрично. Размеры ядрышка тем больше, чем выше функциональная активность клетки. В электронном микроскопе ядрышко состоит из двух основных частей: фибриллярного (представлен первичными цепями рибосомальной РНК) и гранулярного (предшественники рибосом). Иногда выделяют третий, аморфный компонент ядрышка который представляет собой собственно ядрышковые организаторы. Ядрышко подвергается характерным изменениям в митотическом цикле (рис. 23, б). Во время митоза оно исчезает, потому что хромосомы спирализируются и расходятся, прекращается синтез РНК на ядрышковых организаторах. При этом ядрышко постепенно распадается на 10 частей(столько же, сколько и хромосом, его образующих), которые постепенно исчезают. После митоза ядрышко вновь восстанавливается: в начале образуется 10 мелких ядрышек; затем они сливаются и образуется одно – два ядрышка. Функция ядрышка – синтез рибосомальной РНК и образование рибосом. При транскрипции генов ядрышковых организаторов вначале образуется гигантская молекула-предшественница рРНК. Она связывается с белками, синтезированными в цитоплазме и поступившими в ядро. Образуются рибонуклеопротеиды (РНП), которые подвергаются расщеплению на более мелкие фрагменты, соединяющиеся с добавочными молекулами белка. Одна часть этих фрагментов превращается в большие, другая часть - в малые субъединицы рибосом. Ядерная оболочка, или кариолемма. На светомикроскопическом уровне она видна как тонкая пластинка, окружающая ядро. В электронном микроскопе состоит из двух мембран, которые имеют такое же строение, как все биологические мембраны (рис.24). Наружная мембрана переходит в мембраны эндоплазматической сети. На ней могут быть рибосомы. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена сетью промежуточных виментиновых филаменитов. Между двумя мембранами есть перинуклеарное пространство, шириной 20-40мм. Оно является аналогом полостей гранулярной ЭПС и может содержать продукты белкового синтеза.

Рис. Схема образования ядрышка (а) и его изменения в мистическом цикле (б, по Б.Альбертсу и соавт.)

Внутренняя мембрана кариолеммы гладкая. При помощи структурных белков она связана с плотно прилежащей к ней ламиной или ядерной пластинкой, которая имеет толщину до 300мм и состоит из сгущения промежуточных филаментов. С ламиной контактируют промежуточные филаменты, формирующие в ядре фибриллярную сеть образующие кариоскелет. Ламина поддерживает форму ядра, участвует в организации пор, способствует упорядоченному расположению хроматина. Она также участвует в формировании кариолеммы при делении клеток. Две ядерные мембраны в отдельных участках переходят одна в другую. Эти места являются порами кариолеммы. В порах находятся гранулярные и фибриллярные структуры, которые вместе образуют комплекс поры. По краю поры лежат 8 гранул, а в центре находится центральная гранула. К ней от периферических гранул идут фибриллы. Формируется структура, похожая на колесо со спицами. В комплексе поры имеется три таких структуры, которые лежат на разных уровнях, формируя три этажа. Гранулы пор связаны с белками ламины, участвующей в их организации. В комплексе поры содержатся особые рецепторы, распознающие поступающие в ядро белки и осуществляющие их активный перенос. Число пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы, тем выше содержание пор. В среднем в ядерной оболочке содержится 2000-4000 пор. В сперматозоидах ядерные поры полностью отсутствуют. Функции кариолеммы: 1. Разграничительная. 2. Защитная. 3. Регуляция транспорта веществ, в том числе и рибосом, из ядра в цитоплазму и наоборот. Комплекс пор играет в этом наибольшее значение (роль диафрагмы и активного транспортёра). Ядерный сок – кариоплазма. Это жидкий компонент ядра. Представляет собой коллоидный раствор сложных белков, углеводов, нуклеотидов. В состав кариоплазмы входят также различные ионы и метаболиты. Функции кариоплазмы: 1. Создаёт микросреду для всех структур ядра, в которой может происходить быстрая диффузия метаболитов. 2. Перемещение рибосом, м-РНК и т-РНК к ядерным порам. Хромосомы. Хромосомы видны только в митозе. Наиболее удобно изучать их в метафезе (метафозные хромосомные пластинки). Основными химическими элементами хромосом являются ДНК и белки (рис. 25). Комплекс ДНК с белками (в основном с гистонами) формирует фибриллярную структуру - элементарную хромосомную фибриллу имеющую нуклеосомную организацию. Каждая нуклеосома представляет собой комплекс из 8 молекул гистонов (гистоновый октамер). Вокруг него молекула ДНК образует около 2 оборотов. Участки ДНК, связывающие соседние нуклесомы, называются линкерной ДНК..

Рис. Схема различных уровней организации хромосом. Петельный домен имеет диаметр до 300мм и соответствует одному или нескольким генам. Хромомер далее за счёт суперспирализации укорачивается, образуются конденсиророванные хромосомы, видимые только в митозе клетки. Следующим уровнем организации хромосомы является нуклеомерная организация, или уровень хроматиновой фибрилл. В ней нуклеосомы обьеденяются в нуклеомеры, причём каждый нуклеомер состоит из 8-10 нуклеосом и имеет диаметр около 30 мм. Хромосомы образованы хроматиновами фибриллами (хроматиды) в интерфазе. В ходе последующей упаковки нуклеомер подвергается супер спирализации и превращается в хромомер, содержащий петельные домены Способы репродукции клеток Как известно, клетки возникают только в результате деления. Рост организма, увеличение числа клеток, их размножение происходит путём деления. Основными способами деления клеток в человеческом организме являются митоз и мейоз. Процессы, происходящие при этом протекают одинаково, но приводят к разным результатам. Разновидностями митоза является эндомитоз. Иногда как самостоятельный способ репродукции рассматривают амитоз, или прямое деление. Однако в последнее время большинство цитологов отрицают существование амитоза в эукариотических клетках. Митотическое деление клеток (митоз) приводит к увеличению числа клеток, к росту организма. Таким способом обеспечивается обновление клеток при их износе, гибели. Известно, что клетки эпидермиса живут 10-30 дней, эритроциты- до 4-5 мес. Нервные и мышечные клетки (волокна) живут в течение жизни человека. Митоз (рис. 26, 27). Митотическое деление клеток обеспечивает равномерное распределение структур клетки, ядерного вещества-хроматина материнской клетки – между двумя дочерними. Длительность митоза от 30 мин до 3 ч. Митоз подразделяют на профразу, метафазу анафазу, телофазу.

Рис. Митоз растительной клетки (клеток корешка лука). 1 – интерфаза; 2 – профаза; 3 – метафаза; 4 – анафаза; 5 – телофаза. В профазу происходят следующие события: 1. В результате спирализации и конденсации хроматина становятся видны хромосомы. Каждая хромосама состоит из двух лежащих рядом сестринских хроматид. 2. Исчезает ядрышко т.к. на ядрышковых организаторах прекращается синтез рРНК и они расходятся в связи с конденсацией хромосом. 3. Из микротрубочек цитоплазмы формируется веретено деления. Центрами его организации становятся разошедшиеся к полюсфм центриоли. Микротрубочки веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом, в области которых из особых белков формируются кинетохоры. В дальнейшем кинетоходы сами могут служить центрами организации микротрубочек. 4. Распадается на мелкие фрагменты, превращается в мембранные пузырьки и становится не отличимой от ЭПС ядерная оболочка. Поровый комплекс и ламина распадаются на субъединицы. Метафаза. Все хромосомы располагаются в экваторе клетки и удерживаются в этом положении микротрубочками веретена деления. Сестринские хроматиды отходят друг от друга, разделяясь щелью, но остаются соединёнными в области центромеры. Хромосомы формируют метафазную пластинку или материнскую звезду. Анафаза. Сестринские хроматиды, из которых состоят хромосомы, отделяются друг от друга и в области центромеры начинают расходиться к полюсам клетки со скоростью 1 мкм/мин. Анафаза обычно длится несколько минут. Разошедшиеся к полюсам сестринские хроматиды формируют дочерние звёзды.

Рис. Схематическое изображение фаз митоза. Телофаза. Когда разделённые дочерные хроматиды подходят к полюсам, кинетохорные трубочки исчезают. Вокруг каждой группы дочерных хроматид из мембранных пузырьков и агранулярной ЭПС образуется новая ядерная оболочка, а из имеющихся в цитоплазме субъединиц - поровые комплексы и ламина. Конденсированный хроматин начинает деспирализоваться, разрыхляться. Появляются ядрышки. Происходит распределение органелл между клетками. Затем, благодаря актиновым филаментам, в центре клетки по периметру образуется сократимое кольцо. Оно постепенно сжимается и образует борозду деления, которая углубляется и, в конце концов, разделяет материнскую клетку на две клетки. Это явление называется цитотомией. Наряду с описанным нормальным митозом могут наблюдаться атипичные и патологические митозы. При них может иметь место неравномерное распределение генетического материала между дочерними клетками, т.е. - анэуплоидия. Могут наблюдаться также аномалии хромосом - хромосомные абберации, часто возникающие после рентгеновского облучения. Патологические митозы характерны для опухлевых клеток. Эндомитоз – это вариант митоза, когда редупликация хромосом не заканчивается образованием двух клеток. Есть несколько вариантов эндомитоза, отражающих степень «продвинутости» митоза. 1. политения – явление при котором в результате редупликации ДНК происходит увеличение размеров хромосом во много раз. Имеет место у беспозвоночных животных. 2. полиплоидия – увеличение количества хромосом, обычно кратное двум. В полиплоидных клетках в последующем может происходить разделение (сегрегация) геномов. Такие клетки распадаются на несколько клеток с диплоидным набором хромосом. 3. Образование двуядерных и многоядерных клеток. Они возникают тогда, когда ядро делится, но цитотомия не происходит. Многоядерные клетки в последующем могут разделиться путём цитотомии с образованием одноядерных (вариант амитоза). Эндомитоз в конечном счёте приводит к увеличению размеров клетки и её функциональных возможностей, поэтому его можно рассматривать как механизм приспособления или адаптации клетки к изменяющимся условиям внешней среды. Амитоз, или прямое деление клетки, без изменений со стороны хромосомного аппарата. Он происходит путём простой перетяжки ядра и цитоплазмы без выявления хромосом и образования веретена деления. Мейоз – это деление половых клеток, вариант митоза. При мейозе образуются клетки с гаплоидным набором хромосом. Мейоз состоит из двух последовательных митотических делений: мейоз I и мейоз II. Мейоз I называют редукционным делением, т.к. в нём происходит редукция, уменьшение хромосомного набора в два раза. Мейоз I имеет сложную профазу, состоящую из 5 периодов: - лептотена – хромосомы приобретают вид длинных тонких нитей; - зиготена – в ней происходит конъюгация гомологичных хромосом; - пахитена – в эту фазу хромосомы укорачиваются и утолщаются; - диплонема – характеризуется расщепления хромосом на две половинки или хроматиды. В результате образуются тетрады, состоящие из четырёх хроматид; - диакинез - хромосомы сильно укорачиваются в результате спирализации и отходят друг от друга. Последующие фазы мейоза \ (метафаза, анафаза, телофаза) такие же, как в митозе, при этом к полюсам клетки отходят не дочерние хроматиды, а целые (гомологичные) хромосомы. В мейозе II к полюсам отходят хроматиды, как в митозе. Подробнее о мейозе- II в разделе «Эмбриология». Ядерно-цитоплазматическое отношение как показатель функционального состояния клетки. Отношение площади или объёма ядра к площади или объёму цитоплазмы называются ядерно-цитоплазматическим отношением (ЯЦО). Ядерно-цитоплазматическое отношение показывает, в каком состоянии находится клетка. Если это отношение равно или больше 1, это значит, что в клетке большое ядро и мало цитоплазмы. Такое отношение могут иметь стволовые клетки, малые лимфациты, стареющие клетки. Эти клетки функционально неактивны, однако обладают способностью делиться, например, стволовые клетки. Наоборот, клетки, у которых ЯЦО меньше 1, имеют большой объем цитоплазмы и, следовательно, большое количество органелл. Они высокодифференцированы и способны активно функционировать. Митотический цикл. Жизненный цикл клетки. Митотический цикл – это время от одного до второго деления клетки. Его подразделяют на: собственно митоз и интерфазу. В свою очередь, интерфаза делится на три периода: 1. G1 – период. В нем активизируются обменные процессы, необходимые для синтеза ДНК, характеризуется ростом клеток, синтезом белка и РНК. Клетка восстанавливает нужный объем органелл и достигает обычных размеров, синтезируются также специальные белки-активаторы S-периода. 2. S-период – период синтеза, удвоение ДНК в ядре, хромосомы полностью реплицируются. Одновременно удваиваются центриоли. 3. G2-синтез и-РНК, р-РНК, белков тубулинов, из которых синтезируется веретено деления. Полностью созревают дочерние центриоли. Запасается энергия, затем наступает М-период, или собственно митоз. Жизненный цикл – это время от одного деления до второго или до смерти клетки. Есть три основных вида тканевых клеток, различающихся по жизненному циклу (рис. 28.)

Рис. Стадии клеточного цикла. В клеточном цикле различают митоз – сравнительно короткую фазу М и более длительный период – интерфазу. Интерфаза складывается из фаз G1, S и G2. Клетки, выходящие из цикла, более не делятся и вступают в дифференцировку. Клетки в фазе G0 обычно не возвращаются в цикл. 1. Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению митозом. За счет них поддерживается тканевой гомеостаз. Жизненный цикл таких клеток будет составлять время от одного деления до второго, т.е. совпадает с митотическим циклом. Несмотря на неограниченные способности к делению и дифференцировки, стволовые клетки делятся очень редко и после завершения митоза пребывают в продленном G1 – периоде (иногда его называют G0 периодом). После деления стволовые клетки превращаются в полустволовые клетки, которые, наоборот, интенсивно делятся, восполняя клеточные потери. 2. Дифференцированные клетки. а) необратимые постмитотические клетки. Такие клетки делятся митозом только в эмбриональном периоде, а затем после достижения популяцией необходимого объема полностью теряют способность к делению. Примером таких клеток являются нейроны, сердечные мышечные клетки. б) обратимые постмитотические клетки. Эти клетки (например, клетки печени) характеризуются тем, что могут выходить из митотического цикла и переходить в состояние G0, или покоя. При этом они имеют возможность двух путей своего развития: или возвратиться в митотический цикл и делиться, или необратимо дифференцироваться и приступить к функциям. Такие клетки являются резервом ткани. #гистология #Лекция№3