16. 01. 2008r.- wykład
Mejoza
Różnicowanie komórek
Pamięć komórkowa
Odnowa i przebudowa tkanek i narządów
Starzenie się komórek
Miejscem rozpoczęcia mejozy u zwierząt są wyspecjalizowane komórki jajników lub jąder.
Typy mejoz:
gametyczna (terminalna)
sporotyczna (pośrednia- prowadzi do powstania spor)
zygotyczna (inicjalna- zachodzi w zygocie)
Mejoza obejmuje dwa podziały, które są sprzężone ze sobą.
Podczas podziału mejotycznego, ważnym momentem jest odszukiwanie chromosomów homologicznych w komórkach (jeden pochodzi od ojca, drugi od matki).
Etapy poprzedzające podział chromosomów:
Interfaza (faza G1, S, G1)- jest identyczna z mitotyczną, zachodzi tylko raz- przed pierwszym podziałem mejotycznym.
Przed drugim podziałem mejotycznym, nie ma w ogóle fazy S, a G1 i G2 są bardzo krótkie (czasami wcale nie występują).
Podczas interfazy zachodzącej przed pierwszym podziałem mejotycznym, najważniejsza jest faza S. W niej następuje podwojenie materiału genetycznego. W komórce przed syntezą DNA jest 2c (c=odpowiednia masa DNA w komórce). Podczas syntezy ilość DNA wzrasta do 4c. DNA upakowane jest w chromosomach złożonych z dwóch chromatyd. Połączenie między chromatydami jest bardzo ścisłe.
Pierwszy etap podziału mejotycznego (profaza) składa się z pięciu kolejnych stadiów:
leptoten
zygoten
pachyten
diploten
diakineza
Leptoten- chromosomy uwidaczniają się, ale nie podlegają szybkiej kondensacji. Mają tzw. okres długich nici. Chromosomy zbliżają się do siebie. Dzięki wydłużonym niciom komunikują się ze sobą na dużej powierzchni i dlatego możliwa jest wymiana materiału genetycznego. W tym etapie telomery (końce chromosomów) przyłączają się do otoczki jądrowej i układają się parami (chromosomy homologiczne).
Zygoten- dochodzi do połączenia na całej długości chromosomów homologicznych. Połączenie to zw. jest kompleksem synaptonemalnym (SM). Jest to wstęgowata struktura białkowa, która łączy chromosomy na zasadzie zamka błyskawicznego.
Kompleks SM zbudowany jest z białek- zygosomów, które mają długie łańcuchy polipeptydowe. Łańcuchy te na jednym końcu zwijają się w główkę. Dwa takie zwinięte łańcuchy tworzą środek kompleksu. W miejscu łączenia się z chromosomem, białka zachodzą na siebie. Powoduje to powstanie na elektronogramie ciemnego pasma.
Chromosomy razem z kompleksem, nadal zakotwiczone są w otoczce jądrowej.
Pachyten- w tym okresie zachodzi skracanie chromosomów homologicznych (kondensacja) oraz rekombinacja materiału genetycznego w niektórych miejscach (crossing-over). Na obszarze każdego chromosomu, musi zajść conajmniej jeden crossing- over. Stadium pachytenu może trwać kilka dni lub tygodni- w zależności od gatunku organizmu.
Diploten- zaczyna zanikać kompleks synaptonemalny i dochodzi do wzajemnego odpychania się chromosomów homologicznych. Na tym etapie obserwujemy wyraźny podział chromosomów na chromatydy (mimo, że nadal są ze sobą połączone). Widoczne są miejsca, w których zaszło crossing- over (chiazmy). Białka kompleksu SM są zsuwane ku końcom chromosomów. Okres utrzymania chiazm trwa ok. jeden rok. Pod koniec diplotenu chromosomy skracają się, zanika jąderko. Od tego momentu całkowicie zatrzymana jest transkrypcja genów.
Diakineza- chiazmy zanikają i przesuwają się ku krańcom chromosomów (terminalizacja chiazm). Chromosomy oddzielają się od siebie. Każdy z nich składa się z 2 chromatyd.
Metafaza I (pierwszy podział mejotyczny).
Rozpoczyna się rozpadem otoczki jądrowej, formowaniem wrzeciona podziałowego. Chromosomy homologiczne (biwalenty) przesuwają się do płaszczyzny równikowej wrzeciona, leżą naprzeciw siebie. [nie ma podziału na kinetochory; centromer się nie dzieli]
Anafaza I
Całe chromosomy homologiczne przemieszczają się do przeciwnych biegunów komórki. W efekcie tego powstają dwa jądra, które posiadają zmniejszoną ilość chromosomów. Dochodzi też do podziału cytoplazmy. W każdym z jąder są 23 chromosomy (redukcja). Mimo, że ilość chromosomów została zredukowana, ilość materiału genetycznego pozostała bez zmian.
Każdy z chromosomów jest jeszcze gruby (zbudowany z 2 chromatyd, ma zwiększoną ilość materiału genetycznego).
Drugi podział mejotyczny dąży do tego, aby komórki potomne zachowały liczbę chromosomów= 23, ale były lżejsze (chromosomy pochodzą tylko z jednej chromatyny).
Kiedy połączą się gamety, masa zostanie przywrócona, a ilość chromosomów będzie równa 46.
Drugi podział mejotyczny zachodzi bardzo szybko po pierwszym.
Nie ma interfazy, profaza jest bardzo krótka (chromosomy już są podzielone na 2 chromatydy). Dochodzi tylko do utworzenia wrzeciona podziałowego- podział centrosomu i centrioli. Chromosomy podzielone na chromatydy grubieją, układają się w płaszczyźnie równikowej
Metafaza II- wykształcenie kinetochorów w centromerze. Kinetochory skierowane są do dwóch przeciwległych biegunów. Rozciągane są chromatydy siostrzane.
Anafaza II- do przeciwległych biegunów przemieszczają się chromatydy siostrzane jako dwa chromosomy potomne. Na każdym biegunie zostaje zlokalizowana haploidalna liczba chromosomów i zmniejszona do połowy zawartość DNA.
Telofaza II- chromosomy ulegają dekondensacji, tworzy się otoczka jądrowa. W konsekwencji podziałów, powstają 4 komórki.
U samców każda komórka rozwija się w plemnik, u samic tylko jedna staje się jądrem komórki jajowej.
U ludzi wszystkie komórki jajowe powstają we wczesnym okresie życia zarodkowego. Na przełomie trzeciego i czwartego miesiąca rozwoju, kiedy w wyniku mejozy zachodzi redukcja materiału genetycznego. Na tym etapie (I podziale mejotycznym) zatrzymuje się mejoza okresu zarodkowego. Ten stan utrzymuje się do okresu dojrzewania, kiedy pod wpływem hormonów następuje dojrzewanie komórek jajowych- kończenie mejozy. [Kobieta rodzi się z odpowiednią liczbą komórek jajowych]
Natomiast dojrzałe gamety męskie produkowane są u osobników dojrzałych przez cały czas.
Każda gameta żeńska zawiera 23 chromosomy- 22 autosomy i jeden chromosom płci- X, a męska X lub Y.
W powstałej zygocie która da początek żeńskiemu organizmowi, znajdują się autosomy i chromosomy płci XX- nadmiar chromosomu X; po upływie czasu, w wielu komórkach somatycznych jeden chromosom X zostaje nieaktywny (skondensowana chromatyna).
W komórce dającej początek męskiemu organizmowi będą chromosomy XY- funkcjonujące przez całe życie.
Komórki bakteryjne.
Pomimo że mają aparat chromosomowy hapolidalny, mogą wchodzić w okres czasowej (krótkiej) i niecałkowitej diploidalności.
Transformacja- przedostanie się DNA z podłoża do wnętrza komórki bakteryjnej.
DNA z zewnątrz musi być homologiczny względem DNA bakterii, aby ta mogła go wchłonąć.
Stan kompetencji- stan, w ktorym komórka może wchłonąć obce DNA.
DNA wnika do wnętrza komórki bakteryjnej. Kiedy na jakimś odcinku jej chromosomu dojdzie do homologii (będzie podobna sekwencja zasad), dochodzi w tym miejscu do rekombinacji genetycznej. Wycinany jest fragment DNA bakterii, a wstawiany DNA "obcy". Odcinek ten wnosi nowe cechy, które rozpoczynają produkcję nowych- innych białek.
Transdukcja- przeniesienie materiału genetycznego do komórki bakterii za pomocą bakteriofaga (czasami bakteriofag sobie "złapie" odcinek DNA bakterii i przenosi ga na inna komórkę bakteryjną)
Koniugacja- łączy się z obecnością plazmidów (pozachromosomowych, kolistych cząsteczek DNA), które mogą w czasie koniugacji przechodzić z jednej komórki do drugiej. Plazmid może wniknąć do chromosomu bakteryjnego i przeciągnąć do komórki biorcy nie tylko odcinek plazmidowy, ale też część odcinka chromosomowego.
Zygota- pierwsza komórka nowego organizmu. Podziały prowadzą do tworzenia komórek- tkanek- narządów.
Różnicowanie (dyferencjacja) komórek.
Jest to proces wieloetapowy i dotyczy kolejnych pokoleń komórki.
Komórka totipotencjalna- komórka która ma zdolność do wytwarzania wszelkich typów komórek, np. zygota, blastomery.
Komórki pluripotentne (pleuropotencjalne)- mają zdolność tworzenia wielu komórek, ale nie wszystkich typów, np. komórka pnia- macierzysta dla komórek układu krwionosnego.
W dalszym etapie rozwoju i specjalizacji, powstają komórki ukierunkowane do tworzenia rożnych komórek jednego szlaku (np. krwinki). Wszystkie komórki charakteryzują się identycznością genetyczną.
Klonowanie- polega na transplantacji jądra komórki już zróżnicowanej, ukierunkowanej do komórki jajowej po wcześniejszym usunięciu jej jądra. Organizmy powstałe w wyniku klonowania są identyczne genetycznie z organizmem, z którego pozyskano jądro do transplantacji. Jądro to, podczas rozwoju organizmu, pozwala na powstanie organizmu w pełni funkcjonującego.
Jest to dowód na to że w procesie różnicowania nie dochodzi do żadnych zmian genomu.
Wyjątkami są sytuacje, kiedy specjalizacji komórek towarzyszą zmiany ilościowe i jakościowe genomu, zaw. może być zmniejszona lub zmniejszona.
Poliploidyzacja- zwiększona ilość genomu. Zwierzeta, u których występuje, zdychają.
Amplifikacja- selektywna replikacja (określonych genów). Amplifikacja protoonkogenów które chronią komórkę przed nowotworami, może prowadzić do transformacji nowotworowej.
Genom w niektórych komórkach zwierzęcych może podlegać reorganizacji. Tak się dzieje w limfocytach B, które ulegną aktywacji przez konkretny antygen. Antygen wnika do genu limfocytu i aktywuje go do produkcji odpowiedniego przeciwciała skierowanego przeciwko tym konkretnym antygenom- przeciwciało swoiste.
Część limfocytów to komórki pamięci- zapamietują "wygląd" antygenu i w momencie ponownego ataku mnożą się itd.
!!!szczepionki!!!
Przyczyną specjalizacji komórek jest odmienna aktywność genów.
W komórkach zróżnicowanych część genów ulega czasowej lub trwałej represji, a tylko nieliczne sa transkrypcyjnie aktywne. Komórki zróżnicowane różnią się między sobą wzorem ekspresji genów- każda ma własny wzór, odpowiadający danej linii komórek, np. komórki trzustki, wątroby- mają aktywne różne geny; komórka trzustki ma aktywne geny warunkujące produkcję insuliny.
Czynniki transkrypcyjne odpowiadają za aktywność genów.
Podczas rozwoju embrionalnego, w niektórych komórkach odpowiadają (z wyjątkiem ssaków) za wstępne rożnicowanie komórek determinanty cytoplazmatyczne.
W oocycie, kiedy powstaje komórka jajowa, syntetyzowane są duże ilości kwasu mRNA. mRNA w cytoplazmie jest połączony z białkami więc nie podlega degradacji. Odpowiada w pierwszym etapie rozwoju zarodkowego za powstawanie, różnicowanie komórek, powstawanie specjalnych białek. Kwas ten jest rozłożony w cytoplazmie w różnych miejscach. A także mogą to być specjalne białka odpowiadające za transkrypcję genów [bez sensu....:/]
Podczas podziałów komórki (podziałów asymetrycznych) do nowych komórek dostają się determinanty z różnych części komórek i komórki potomne różnią się od siebie. Jest to przykład pierwszego różnicowania się komórek które występuje w blastomerach o mozaikowym rozkładzie mRNA w cytoplazmie- rozwój mozaikowy.
U ssaków cytoplazma w okresie rozwoju zarodkowego jest homogenna i róznicowanie ma przede wszystkim charakter regulacyjny- rozwój regulacyjny.
W rozwoju tym biorą udział oddziaływania indukcyjne. Pod wpływem sygnałów pochodzących zwykle z komórek sąsiednich, dochodzi do różnicowania się. Takie oddziaływanie indukcyjne ma niewielki zasięg, ale duże znaczenie-> ligand wydzielany przez komórkę rozchodzi się w różnym natężeniu. W pobliżu komórek wydzielających ten ligand, stężenie jest wyższe a im dalej od nic- jest coraz niższe. Zamiana stężenia ligandu ma wpływ na różnicowanie się komórek. Jedne reagują na wieksze stężenie tego ligandu, inne na mniejsze. Podczas rożnicowania, komórki stają się również komórkami wydzielającymi ligandy do innych komórek- tworzą się wtórne centra sygnalizacji. Substancje indukujące- morfogeny. Zdolność do odmiennych reakcji na stężenie morfogenów, powoduje, że z identycznych komórek tworzą się komórki zróżnicowane.
Informacja pozycyjna- informacja o docelowym położeniu różnicujących się narządów.
Pamięć komórkowa
W końcowych etapach embriogenezy ciało zarodka buduje wiele typów zróżnicowanych komórek, tworzą się tkanki i narządy. Powstaje wzór ekspresji genów charakterystyczny dla danej linii komórkowej. Wzór ten zostaje zapisany w pamięci komórkowej i jest dziedziczony w kolejnych pokoleniach komórek potomnych, a zachowanie tego wzoru opiera się na mechanizmie pozytywnego sprzeżenia zwrotnego. Zgodnie z tym mechanizmem, produkt danego genu jest czynnikiem aktywującym (transkrypcyjnym) ten gen. produkt=aktywator
Inne mechanizmy utrzymywania wzoru ekspresji genów polegają na strukturalnych i chemicznych modyfikacjach w obrębie chromosomów i samego DNA.
Zmiany w chromosomach- dochodzi do kondensacji pewnych regionów chromosomów. Przekształcają się w heterochromatynę i pozostają nieaktywne. Wzory rozmieszczenia obszarów chromatynowych są charakterystyczne i stałe dla danej linii komórkowej.
Zmiany w DNA- polegają na metylacji cytozyny w parach zasad C-G, po metylacji obszar ten jest nieaktywny. Układy z metylowaną cytozyną również są dziedziczone.
Odnowa i przebudowa tkanek i narządów
Komórki po pewnym czasie giną w procesie apoptozy a ich miejsce zajmują nowe. Odnowa komórkowa odbywa się w różnym czasie, zależy od tkanek. Odnowa występuje w wyniku proliferacji komórek już zróżnicowanych (komórki wątrobowe- po uszkodzeniu przez pewne bodźce) lub w wyniku obecności niezróżnicowanych komórek macierzystych.
U ssaków stałą obecnością komórek macierzystych charakteryzują się tkanki nabłonkowe, szpik kostny oraz ośr. układ nerwowy.
Komórka macierzysta, w wyniku podziału może dać kolejne komórki macierzyste lub jedną macierzystą zdolną do proliferacji ukierunkowanej.
macierzysta dająca 2 kom. macierzyste- nabłonki, błona śluzowa przewodu pokarmowego, naskórek.
Starzenie się komórek.
Dochodzi tu do uszkodzeń komórek. Dotyczą one defektu cyklu komórkowego, niestabilności genomu, mechanizmów, makroczasteczek (np. białek odpowiadających za cykl komórkowy).
Uszkodzenia białek, lipidów, zachodzą pod wpływem utleniania. Tlen ujawnia toksyczne działanie, kiedy tworzą się wolne rodniki: nadtlenek wodoru, anion nadtlenkowy, rodnik hydroksylowy, tlen singletowy- mają niesparowane elektrony i bardzo łatwo wchodzą w reakcje z białkami, tłuszczami, kwasami nukleinowymi w różnych organellach komórkowych- przerywają nici DNA, tworzą wiązania krzyżowe między DNA i białkiem.
Im mlodsza komórka, tym lepiej radzi sobie z wolnymi rodnikami.
Telomeraza- enzym powodujący nieustające odtwarzanie telomerów, np. w komórkach nowotworowych.
Zanik telomerów- zegar biologiczny