Тема 4: Молекулярно-генетические механизмы регуляции и пролиферации.

Цель: Изучение молекулярных механизмов клеточного цикла и пролиферации клеток. Задачи обучения:

Изучить механизмы регуляции клеточного цикла.

Основные вопросы темы:

1. Факторы, регулирующие этапы клеточного цикла

2. Основные механизмы регуляции клеточного цикла

3. MPF - регулятор митотических процессов

4. Роль циклинов и циклинзависимых киназ в регуляции клеточного цикла.

Информационный блок

Участники контроля клеточного цикла.

Клеточный цикл контролируется путем взаимодействия трех типов белков: циклинзависимые киназы (Cdk), циклины - белки, взаимодействующие с Cdk c образованием комплексов и ингибиторы комплексов Cdk-циклин.

Циклинзависимые киназы (Cdk) - ферменты фосфорилирующих другие белки, изменяя их функцию. Клеточный цикл контролируется изменением активности Cdk, которая регулируется периодическим образованием и распадом их регуляторных субъединиц - циклинов. Смена синтезов и разрушений различных циклинов обеспечивает переходы и протекания различных фаз клеточного цикла. При этом концентрация Cdk постоянна в течении всего клеточного цикла. В разные фазы клеточного цикла образуются разные циклины, которые связываясь с Cdk образуют различные Cdk-циклиновые комплексы. Эти комплексы регулируют разные фазы клеточного цикла и поэтому называются G1-, G1/S- , S- и М-Cdk .

Циклины и циклинзависимые киназы, учавствующие в клеточном цикле.

Циклины	Киназа	Функция
D	Ckd 4, Ckd 6	Работа после точки ограничения на границе G1/S
E, A	Ckd 2	Инициация синтеза ДНК в ранней фазе S
B	Ckd 1	Переход от G2 к М

Контрольные точки клеточного цикла.

1. Точка выхода из G1-фазы, называемая Старт - у млекопитающих и точкой рестрикции у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце G1 наступление S становится необратимым, т.е. запускаются процессы ведущие к следующему делению клетки.

2. Точка S – проверка точности репликации.

3. Точка G2/M-перехода – проверка завершения репликации.

4. Переход от метафазы к анафазе митоза.

Самостоятельная работа студентов:

Раб.1. Нарисуйте диаграмму в тетрадь, с обозначением функций циклинов:

Виды контроля:

1. Контроль исходного уровня знаний

2. Разбор результатов самостоятельной работы студентов

3. Контроль итогового уровня знаний

Методы обучения и преподавания: проведение практических занятий, работа с компьютерными моделями и микропрепаратами.

Тема 5:.Общая характеристика молекулярных событий при апоптозе.

Цель: изучение общих представлений об апоптозе, пусковых факторов апоптоза, механизма апоптоза, ферментов апоптоза.

Задачи обучения:

Основные вопросы:

1.Апоптоз-как программированная клеточная смерть.

2.«Апоптоз изнутри»: пусковые факторы и биологическая роль.

3.«Апоптоз по команде»: биологическая роль и пусковые факторы.

4.Основные ферменты апоптоза.

5.Цитоплазматические протеазы - каспазы.

6.Эндонуклеазы, их роль в апоптозе.

7.Каковы отличия апоптоза и некроза.

Информационный блок

Апоптоз — форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении её размера, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.

Различия апоптоза и некроза.

Программированная гибель является результатом реализации генетической программы или ответом на внешние силы и требует затрат энергии и синтеза макромолекул de novo. Главное отличие некроза от апоптоза, в том, что некроз — это смерть клетки вследствие её повреждения (химического, термического, рентгеновского излучения и т. д.). Апоптоз — это запрограммированная клеточная гибель, которая происходит вследствие работы многих ферментов, как самой клетки, так, возможно, и других клеток-соседей. Во время некроза клетка вакуолизируется (изменяется строение наружной плазматической мембраны, по градиенту концентрации вода поступает внутрь клетки, все органеллы начинают набухать), лизосомы переваривают все содержимое клетки, клетка лопается. Её содержимое выбрасывается во внеклеточное пространство, что, следовательно, вызывает воспаление, и в дальнейшем поглощается фагоцитами.

Характерными признаками апоптоза, позволяющими отличить его от некроза, являются: переход фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой, выход цитохрома С из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму, активация цистеиновых протеиназ (каспаз), образование активных форм кислорода, сморщивание (blebbing) цитоплазматической мембраны, уменьшение объёма клетки, разрывы нитей ядерной ДНК в межнуклеосомальных участках, конденсация хроматина по периферии ядра, последующий распад ядра на части, фрагментация клеток на везикулы с внутриклеточным содержимым — апоптотические тельца. Апоптотические тела захватываются соседними клетками, могут и фагоцитами, как в случае некроза. Выброса клеточного содержимого не происходит, воспаления не возникает. Некроз характерен для группы клеток, апоптоз для одной.

Апоптоз изнутри.

Пусковым механизмом может быть:

1) Различные повреждения хромосом (разрывы ДНК, сшивки цепей ДНК);

2) Повреждения внутриклеточных мембран в результате перекисного окисления липидов.

Эти повреждения вызываются внешними факторами: облучением, изменением температуры, химическими соединениями, оксидом азота, радикалами. Ускорять данные изменения могут стрессы, нарушение питания клеток (например: уменьшение нейронов головного мозга с возрастом. Апоптоз в данном случае вызывает болезнь Паркинсона). Т.о. апоптоз направлен на уничтожение дефектных клеток.

Апоптоз по команде. 1 .Такой апоптоз связан с онтогенезом: -1 гибель клеток куколки при метаморфозе насекомых; -2 зачатков хорды в эмбриогенезе;-3 быстрая инволюция органов у горбуши после нереста, которая заканчивается смертью.

2.Формирование и функционирование иммунной системы. 3.Развитие кроветворных клеток всех рядов (лимфоидных). Для развития данных клеток требуются определенные цитокины. 4.В женской репродуктивной системе: -гибель клеток (ооцитов, фолликулярных клеток); -гибель желтого тела; -гибель лактоцитов молочной железы после прекращения лактации.

Этапы развития апоптоза:

1 .Конденсация хроматина и сжатие клетки (вследствие конденсации цитоплазмы);

Хроматин располагается по периферии ядра в виде плотной гомогенной массы. Цитоплазма уменьшается в объеме, клетка меняет свою форму. 2.Фрагментация ядра и цитоплазмы с образованием апоптозных телец. Ядро распадается на фрагменты, окруженные ядерной оболочкой и содержащий плотные массы хроматина. В клетке образуются глубокие впячивания, образуются лопасти, которые постепенно отшнуровываются и их называют апоптозные тельца, в которых могут быть ядерные фрагменты или участки цитоплазмы.

3.Фагоцитоз апоптозных телец окружающими клетками. К фагоцитоз апоптозных телец способны не только фагоциты, но все окружающие клетки. Клетки распознают апоптозные тела по изменениям в поверхности плазмолеммы.

Ферменты и апоптоз.

Каспазы - это цитоплазматические протеазы. Каспазы способны разрывать пептидные связи, которые образованы аспаргиновой кислотой.

В семейство каспаз входят 10 ферментов, они способны активировать друг друга, под действием сигнала, идущего от плазмолеммы, с помощью посредников (первой активируется каспаза 8).

Активацию каспаз вызывают факторы, полученные из митохондрий (при повышенной проницаемости их мембран). Эти протеазы активируют каспазу 9.

Для работы кеаспаз необходимо условие: отсутствие в клетке ингибиторов каспаз, которыми являются особые белки (ингибиторы апоптоза).

Мишенями каспаз служат:

1 .Цитоплазматические и ядерные белки (гистоны Н1), ламины; 2.Ферменты репликации и репарации (топоизомеразы); З.Регуляторные белки (контролирующие клеточный цикл); 4.Ингибиторы эндонуклеаз.

Эндонуклеазы. При апоптозе эндонуклеазы разрушают ДНК до фрагментов (и крупных и мелких), действуя на линкерные участки. Кроме каспаз и эндонуклеаз, способствующих апоптозу, в клетке накапливаются сильные окислители, которые являются сильным повреждающим фактором и вызывают апоптоз клетки (это накопление оксида азота, супероксидного и гидроксидного радикалов, перокси нитрита, нитритов, нитратов и др.)

В клетке происходит окислительный стресс, к которому очень чувствительны мембраны, нарушается их проницаемость, что важно для начала апоптоза.

В норме в клетке действует система антиоксидантной защиты (каталаза, супероксидисмутаза, пероксидаза). При окислительном стрессе эти ферменты не справляются с большим количеством окислителей.

Т.о. изменения плазмолеммы позволяют поглотить апоптозные тельца соседним клеткам.

Самостоятельная работа студентов:

Раб.1. Дайте описание схемам, сделайте обозначения.

Виды контроля:

1. Контроль исходного уровня знаний

2. Разбор результатов самостоятельной работы студентов

3. Контроль итогового уровня знаний

Методы обучения и преподавания: проведение практических занятий, работа с компьютерными моделями и микропрепаратами.