Фази мітозу. Мітоз - апарат клітинного поділу Формування веретену поділу

б) осмотичний тиск у клітині г) вибіркову проникність

2. Оболонки з клітковини, а також хлоропластів не мають клітини

а) водоростей б) мохів в) папоротей г) тварин

3. У клітині ядро ​​та органоїди розташовані в

а) цитоплазмі _ в) ендоплазматичної мережі

б) комплексі Гольджі г) вакуолях

4. На мембранах гранулярної ендоплазматичної мережі відбувається синтез

а) білків б) вуглеводів в) ліпідів г) нуклеїнових кислот

5. Крохмаль накопичується в

а) хлоропластах б) ядрі в) лейкопластах г) хромопластах

6. Білки, жири та вуглеводи накопичуються в

а) ядрі б) лізосомах в) комплексі Гольджі г) мітохондріях

7. В освіті веретена поділу беруть участь

а) цитоплазма б) клітинний центр в) вакуоль г) комплекс Гольджі

8. Органоїд, що складається з безлічі пов'язаних між собою порожнин,
яких накопичуються синтезовані у клітині органічні речовини - це

а) комплекс Гольджі в) мітохондрія

б) хлоропласт; г) ендоплазматична мережа

9. Обмін речовин між клітиною та навколишнім середовищем відбувається через
оболонку завдяки наявності в ній

а) молекул ліпідів; в) молекул вуглеводів.

б) численних нор г) молекул нуклеїнових кислот

10.Синтезовані у клітині органічні речовини переміщаються до органоїдів
а) за допомогою комплексу Гольджі в) за допомогою вакуолей

б) за допомогою лізосом; г) по каналах ендоплазматичної мережі.

11. Розщеплення органічних речовин у клітині, що супроводжується визволенням.
енергії та синтезом великого числа молекул АТФ відбувається в

а) мітохондріях б) лізосомах в) хлоропластах г) рибосомах

12. Організми, клітини яких не мають оформленого ядра, мітохондрій,
комплексу Гольджі, відносять до групи

а) прокаріотів б) еукаріотів в) автотрофів г) гетеротрофів

13. До прокаріотів належать

а) водорості б) бактерії в) гриби г) віруси

14. Ядро відіграє велику роль у клітині, оскільки воно бере участь у синтезі

а) глюкози б) ліпідів в) клітковини г) нуклеїнових кислот та білків

15. Органоїд, відмежований від цитоплазми однією мембраною, що містить
безліч ферментів, які розщеплюють складні органічні речовини
до простих мономерів, це

а) мітохондрія б) рибосома в) комплекс Гольджі г) лізосома

дит: 1) розчинення ядерної оболонки 2) формування веретена поділу 3) подвоєння ДНК 4) розчинення ядерців. А3) у тварин у процесі мітозу, на відміну від мейозу утворюються клітини: 1) соматичні 2) з половинним набором хромосом 3) статеві 4) спорові. А4) розбіжність хромотид до полюсів клітини відбувається в: 1) профазі першого поділу мейозу 2) профазі другого поділу мейозу 3) інтерфазі перед першим розподілом 4) інтерфазі перед другим розподілом

накопичується в

А
– хлоропластах Б – ядрі В – лейкопластах Г – хромопластах
2. Цитоплазма не виконує
функцію

А
– переміщення речовин Б – взаємодії всіх органоїдів

У
- харчування Г - захисну
3. Запасні
поживні речовини та продукти розпаду накопичуються в клітинах рослин у

А
- лізосомах Б - хлоропластах В - вакуолях Г - ядрі
4. Білки,
жири та вуглеводи окислюються зі звільненням енергії в

А
- мітохондріях Б - лейкопластах

У
– ендоплазматичної мережі Г – комплексі Гольджі
5. «Складання»
рибосом відбувається в

А
- ендоплазматичної мережі Б - комплексі Гольджі

У
– цитоплазмі Г – ядерцях
6. На поверхні гладкої ендоплазматичної мережі синтезуються молекули А – мінеральних солей Б – нуклеотидів В – вуглеводів, ліпідів Г – білків
7. На поверхні шорсткої ендоплазматичної мережі розміщуються А – лізосоми Б – мікротрубочки В – мітохондрії Г – рибосоми
8. Еукаріоти – це організми, що мають А – пластиди Б – джгутики В – клітинну оболонку Г – оформлене ядро
9. Клітина – основна одиниця будови всіх організмів, тому що А – в основі розмноження організмів лежить поділ клітини Б – у клітці протікають реакції обміну речовин В – поділ клітини лежить в основі росту організму Г – усі організми складаються з клітин
10. В освіті веретена поділу бере участь А – цитоплазма Б – клітинний центр В – ендоплазматична мережа Г – вакуоль

Хромосоми поділяються за допомогою мітотичного веретена

Веретено є симетричною біполярною структурою, що складається з мікротрубочок, розташованих між двома полюсами. На кожному полюсі знаходиться центросома

Центросоми прикріплюються до веретену за рахунок взаємодії своїх кінетохорів з

Веретеноє складною динамічною структурою, яка швидко утворюється на початку процесу поділу і при його закінченні так само швидко руйнується. Веретено необхідно для мітозу і служить для виконання двох окремих функцій: (1) забезпечення поділу реплікованих хромосом по дочірнім ядрам при розподілі ядра (каріокінез) та (2) управління процесом поділу цитоплазми (цитокінез).

Якщо заблокувати освіта веретена(наприклад, обробивши клітини різними хімічними сполуками), хромосоми конденсуються, але не рухаються, як це зазвичай відбувається в мітозі, і процес поділу зупиняється. Багато в чому веретено є рід біологічного мотора, який перетворює хімічну енергію на механічну роботу, необхідну для переміщення хромосом і поділу клітини. Функції веретена відбиваються у його будову. Симетрична структура з двома полюсами необхідна успішного проходження мітозу.

Справді, вона відбиває принцип парності клітинного поділу, при якому одна клітина та реплікована ДНК діляться на дві окремі дочірні клітини.

Веретеноможна побачити за допомогою різноманітних методів. Основний структурний елемент веретена - мікротрубочки, надто малі для того, щоб їх можна було бачити за допомогою світлового мікроскопа (тобто через недостатню роздільну здатність). Тому, хоча в клітинах вищих організмів часто можна спостерігати за допомогою звичайного світлового мікроскопа хромосоми, що конденсують, веретена при цьому не видно. Однак у багатьох випадках можна дійти невтішного висновку про наявність веретена за непрямим ознакою, оскільки ця структура витісняє видимі клітинні органели. При цьому, як показано на малюнку нижче, простір, що займає веретеном, у порівнянні з навколишньою цитоплазмою здається прозорішим. Хоча спочатку дослідники вважали, що веретено складається з волокон, на початок 1950-х гг. це припущення було підтверджено прямими спостереженнями.

На цей час удосконалення техніки поляризаційної світлової мікроскопіїдозволили побачити веретено на препаратах клітин. Типова фотографія веретена, отримана за допомогою світлового мікроскопа, представлена ​​нижче. Структура набула чорного забарвлення через взаємодію поляризованого світла з мікротрубочками. Протягом 1970-х років. була розроблена техніка з використанням флуоресцентних зондів, яка дозволила спостерігати компоненти веретена у тривимірному просторі навіть у живій клітині. Ця техніка дозволяє простежувати положення одного або кількох специфічних білків веретена під час мітозу. Одним із таких білків майже завжди є тубулін, оскільки він забезпечує візуалізацію мікротрубочок.

Під час спостереження в електронному мікроскопі веретеноТипова клітина ссавців складається з трьох структурних компонентів. Як показано на малюнку нижче, у кожній із двох полярних ділянок знаходиться центросома. Ця красива органела включає пару невеликих, інтенсивно забарвлених структур, які називають центріолями.

Вони оточені більш-менш щільним дифузним матеріалом. Між центросомами розташовані хромосоми, які у більшості клітин є найбільшими структурами веретена. Хромосоми складаються з компактних, щільно скручених і базофільних фібрил сильно хроматину діаметром 25 нм. Кожна хромосома містить дві невеликі структури, які називаються кінетохори (від грец. kineto - рухливий; chora - простір). Кінетохори прикріплюються до протилежних сторін своєї центроміри. Між полюсами веретена проходить щільний пучок розташованих паралельно один одному мікротрубочок.

на малюнкунижче це видно найвиразніше. Один із кінців мікротрубочок веретена зазвичай розташований на самому полюсі або поряд з ним. Інший знаходиться в області веретена у вільному стані або пов'язаний з кінетохором. Мікротрубочки ростуть від кожного полюса, що робить веретено симетричною структурою, утвореною двома паралельними і перекриваються пучками мікротрубочок. Кожен із цих пучків називається напівверетено. У більшості хребетних напівверетено складається з 600-750 мікротрубочок, 30-40% яких закінчуються на кінетохорах.

В кожному напівверетені, поряд з основними мікротрубочками, з кожного полюса виходять інші мікротрубочки. Ці мікротрубочки поширюються у всіх напрямках, утворюючи радіальні структури, які називаються зірками (астерами) та розташовуються в центрі кожного полюса. Так само як і мікротрубочки веретена, всі астральні мікротрубочки одним кінцем орієнтовані полюс, а іншим на віддалену точку в цитоплазмі. У мітозі астральні зірки мають кілька функцій. Поряд з позиціонуванням веретена в клітині, яке визначає площину цитокінезу, вони також беруть участь у відділенні полюсів (центросом) при утворенні веретену в анафазі.

Критичну роль у мітозітакож грають два кінетохори кожної хромосоми. Їхня роль у переміщенні хромосом виявилася дуже давно, оскільки виявилося, що фрагменти хромосом, що не містять кінетохора, не здатні до спрямованого руху. Особливо важливо, яким чином розташовуються кінетохори по відношенню один до одного. Оскільки вони розташовані на протилежних сторонах центроміру, то звернені до протилежних полюсів веретена, що дозволяє приєднуватися до реплікованих хромосом до обох полюсів. Наявність такого позиційного взаємозв'язку між двома кінетохорами істотно для сегрегації двох хроматид у різні ядра. При утворенні веретена кожен кінетохор зв'язується з кінцями безлічі мікротрубочок, що виходять з одного полюса, і утворює пучок, званий кінетохорним пучком, який проходить між кінетохором і полюсом.

І самі кінетохори не є лише транспортною системою канатів, що дозволяють хроматидам просуватися до полюсів. Швидше за все, вони відіграють важливішу активну роль, не тільки визначаючи напрямок руху хромосоми, а й генеруючи зусилля, необхідні для цього руху.

Для того, щоб зрозуміти молекулярні механізми мітозунеобхідно відповісти на наступні кардинальні питання. Як формується веретено і як забезпечується його біполярна структура? Як генеруються зусилля, що забезпечують рух хромосом і як цей рух регулюється? Як забезпечується точність процесу сегрегації хромосом? Як після сегрегації хромосом відбувається поділ цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин?

2n-->S-->4n-->2x2n

ПРОФАЗУ.
У профазі відбуваються такі події: конденсація хромосом, формування веретена поділу, розпад ядерців, ендоплазматичного ретикулуму (ЕР), цитоплазматичних мікротрубочок, знижується та припиняється синтез РНК.
Кожна подвійна хромосома (2x2n), вони тісно стикаються і спіралізуються одна щодо іншої.
Конденсація хроматину.
Після S-фази сестринські хроматиди залишаються пов'язані мультибілковим комплексом когезинів, що розташовується вздовж хроматид у процесі їх подвоєння. Когезини утримують хроматиди разом до їх розбіжності в анафазі.
Перша ознака Мітозу - конденсація хромосом (у людини в 50 разів). Конденсини – білки, що беруть участь у конденсації. Запуск M-Cdk фосфорилювання конденсинів відповідає за їх складання в комплекси на ДНК та конденсації хромосом. При конденсації витрачається енергія АТФ. Хромосоми конденсуються навколо поздовжньої центральної осі хромосоми, на якій спостерігається найбільша концентрація конденсинів. У фіксованих препаратах спостерігається спочатку спіральне укладання конденсинів уздовж хромосоми (рис.1)

рис.1 Спіральне укладання хроматид - забарвлення на специфічні білки показує їх спіральне розташування хромосомах.

Конденсини та когезини структурно споріднені та працюють за однаковими механізмами. Встановлено, що якщо після S-фази з'єднання хроматид не настало правильно, конденсація також не настає.
Конденсини (когезини) утворюють димери антипаралельно спрямовані на кінцях яких знаходяться ДНК-і АТФ-зв'язуючі домени, а на середині гнучкий шарнір (рис.2).

Когезин пов'язують хромосоми ще в S-фазі.
Cohesin є 4-субунітому proteínу комплексу, в якому етеродимер SMC proteínів, в цьому випадку SMC1/SMC3, поєднується з двома іншими proteínами, Scc1/RAD21/Mcd1 і Scc3 proteínами. У vertebrates є дві variantи of Scc3, названі SA1 і SA2. (Jessberger 2005)
SMC (The structural maintenance of chromosomes proteins) виявлено в бактеріях та археях. На відміну від еукаріотичних, представляють гомодимери, що кодуються одним геном.

рис.3 Структура з кохесіну і можливого механізму, з якого вона може триматися хроматидами досі. (A) Smc1 (red) і Smc3 (blue) форма в алергічному антиparallel coiled coils, які є організовані з кінчика або junction domains (triangles). Smc1/3 heterodimers є сформовані через heterotypic interactions між Smc1 і Smc3 junction domains. COOH terminus of Scc1 (green) binds to Smc1"s ABC-like ATPase head, деєї його NH2 terminus binds to Smc1"s head, створюючи a closed ring. Scc3 (yellow) перемикається на Scc1"s COOH-terminal half and does no make any direct stable contact with the Smc1/3 heterodimer. Scc1"s separase cleavage sites are marked by arrows. Cleavage at either site is sufficient to destroy cohesion. Буде аналогічний з бактеріальними SMC proteínами, він є виразним, що ATP binds both на Smc1 і Smc3 heads, інші їх конформації, і вірогідно brings them в close proximity. Будучи взаємини Scc1"s Association with Smc heads, ATP binding and/or hydrolysis could have role in opening and/or closing cohesin"s ring. (B) Cohesin може тримати стерні DNA molecules разомз trapping them both within the same ring. Cleavage of Scc1 при відокремленні може бути виконаний кінцем, відхилення концентрації стернів DNA, а також пов'язання розриву cohesin від хроматину. (C) Smc-containing complexes інші than cohesin could also функція via chromatid entrapment. Конденсін, для прикладу (black), можна організувати мітотичні хромосоми при тремтіння supercoils. Це і/або інші пов'язані комплекси можуть усвідомити нескінченну довжину досі (назад) і вонизабезпечують функцію long-range enhancers and silencers of transcription.

Освіта веретена поділу
У мікротрубочках веретена ~10^8 молекул тубуліна. Веретено нормально функціонує при руйнуванні центріолей лазером. Центром організації мікротрубочок служить аморфна речовина центросоми.
Мікротрубочки ростуть від центросом, білки диненини пов'язують мікротрубочки, що перекриваються, які продовжують рости і розштовхуються кінезинами, при цьому полюси розходяться. У цей час мікротрубочки з кінетохором не зв'язуються.
Число мікротрубочок прикріплених до кінетохорів по-різному у різних видів - у деяких грибів - 1мікротрубочка, у людини - 20-40.
Залишкове тільце – фрагменти полюсних мікротрубочок+щільний матрикс.
Після початку мітозу центросоми розходяться і кожна утворює радіально симетричний центр організації мікротрубочок (астра). Центросома розташована біля ядра. Дві айстри рухаються до протилежних сторін ядра для формування двох полюсів веретена поділу. Коли ядерна оболонка руйнується (прометафаза), веретено захоплює хромосоми. У клітинах ембріонів Xenopus центросома подвоюється, навіть якщо ядро ​​було пересунуто, або реплікація ДНК пригнічена. Центросомний цикл продовжується майже нормально: спочатку 2, потім 4, 8 центросом тощо. На ооцитах Xenopus було показано, що G1/S-Cdk (комплекс cyclin E та Cdk2) ініціює ДНК реплікацію в S фазі також стимулює подвоєння центросоми, це ймовірно пояснює чому подвоєння центросом відбувається на початку S-фази
Зростання веретена залежить від моторних білків, що належать до двох сімейств – kinesin-related proteins, що рухаються до '+'
кінцю і денєїни, що рухаються до '–'. Три типи мікротрубочок спостерігаються у веретені - астральні, кінетохірні, що перекриваються-створюють правильну структуру веретена. Мікротрубочки ростуть від центросоми вперед '+' кінцем. Три види мікротрубочок відрізняються поведінкою та наборами приєдн білків.
Веретено починає збиратися у профазі. M-Cdk запускають фосфорилювання двох типів білків, що контролюють динаміку мікротрубочок. Типи: моторні білки та microtubule-associated proteins (MAPs). Також є білки катастрофи.
В інтерфазі мікротрубочки відходять від однієї центросоми та знаходяться в динамічній рівновазі. Перемикання, що веде до зростання, називається порятунок, перемикання до зменшення мікротрубочок – катастрофа. У профазі довгі інтерфазні мікротрубочки швидко перетворюються на безліч коротких оточуючих кожну центросому, які починають формувати веретено поділу.

РОЗПАД ЕР
ЕР розпадається на дрібні вакуолі, що лежать по переферії клітини та Апарату Гольджі (АГ), який втрачає навколоядерну локалізацію, поділяється на окремі розкидані в цитоплазмі диктіосоми.

ПРОМЕТАФАЗУ
Розпад ядерної оболонки, безладний рух хромосом в області колишнього ядра, хромосоми через кінетохор з'єднуються з веретеном і починають рух.

Розпад ядерної оболонки

Кінетохор
Sc: кінетохор пов'язаний із цетромірним локусом CEN: CDEI,II,III. CDEI,III – консервативні райони подібні до Dm. CDEII - збагачений АТ, ділянка різної довжини. CDE відповідальний за зв'язок з МТ, взаємодіє з низкою білків.
кінетохор – мультибілковий комплекс, складається з трьох шарів:
зовнішній – щільний (СENP-E, СENP-F – беруть участь у зв'язуванні мт), від нього відходить безліч фібрил – фіброзна корона кінетохора (СENP-E, дінеїни)
середній – пухкий, 3F3/2 – білок, реєструє натяг пучків мт.
внутрішній - щільний, ділянка ГХ збагачена а-сателітної ДНК (СENP-B-зв'язується з а-ДНК, MCAK-кінезинподібний білок-когезин, INCENP-когезин, СENP-А-аналог H3, СENP-G-зв'язується з білками ядерного матриксу, СENP-С-
Функція кінетохора: зв'язування хроматиду, закріплення мт веретена.
min число мт у Sc 1 на хромосому, у вищих рослин 20-40 мт на хромосому
білки кінетохора присутні у всіх стадіях кц, освіта і поділ кх проїх в S-періоді
Х-ми безладно рухаються - метакінез - то наближаються до полюсів, то віддаляються до центру веретена, поки не займе середнє положення - конгресія х-м. мт випадково захоплюються кінетохором і х-ми ковзають по мт до полюса 25мкм/хв, за допомогою аналога динеїну. Під час руху мт не розуміються. Хроматиди пов'язані та тягнуться з двох сторін. Якщо лазером перерізати мт з одного боку, то х-ми стягнутися до протилежного полюса
Переміщення хромосом до екватора
якщо мітотич кл обробити D2O або таксолом - пригнічують розбирання мт?мт подовжуються і не тягнуть хромосоми?блок мітоз
колхіцин, низька t, високий гідростатич тиск - руйнування ниток веретена?блок мітоз
сила діюча на кінетохорну нитку тим слабша чим ближче до полюса нах кінетохор

МЕТАФАЗУ
Завершується формування веретена поділу, хромосоми перестають рухатися і вишиковуються за екватором веретена (екваторіальна пластинка)
метафаза – синтез білка – 20-30% від інтерфази. Клітини найбільш чутливі до холоду, колхіцину та ін агентам, які руйнують веретено поділу і призводять до припинення мітозу (К-мітоз), при малих дозах мітоз відновлюється через кілька годин (інакше загибель або поліплоїдія).
Метафаза – хромосоми утворюють платівку, мікротрубочки досягають max концентрації та перекриваються.

АНАФАЗА
Анафаза - хромосоми раптово одночасно відокремлюються один від одного і починають рух до полюсів. Центроміри роз'єднуються – деградація центромірних когезинів. Найбільш коротка стадія, поділ хроматид та розбіжність хромосом до полюсів (v=0,2-5 мкм/хв). Іноді також розходяться полюси один від одного.
Розбіжність хромосом з допомогою кинетохорных пучків мікротрубочок – анафаза А, розбіжність хромосом разом із полюсами з допомогою подовження межполюсных микротрубочек – анафаза У.
Поділ хроматид та рух до полюсів.
Веретено та перетяжка пов'язані так, що поки хромосоми не розійдуться перетяжка цитоплазми не настає.
Події анафази: рух кінетохорних ниток до полюсів, рух полюсних ниток розштовхують полюси-рухаються один щодо одного; малі дози хлоралгідрату запобігають подовженню та руху полюсних ниток, але не впливають на кінетохорну нитку.

ТІЛОФАЗУ.
Телофаза триває з припинення руху хромосом. Відбувається реконструкція ядер – утворення ядерної оболонки, деспіралізація хромосом, активація хромосом – збільшення рівня транскрипції, формування ядерців, руйнування веретена поділу, поділ клітин, утворення залишкового тільця Флемінгу, утворення перетяжки.
У місцях контактів хромосом з мембранними пухирцями починає утворюватися ядерна оболонка. Спочатку вона утворюється на латеральних поверхнях хромосом, потім у центромірних та тіломірних ділянках. Після змикання ядерної оболонки відбувається утворення ядерців.
Розбирання мікротрубочок йде від полюсів до екватора колишньої клітини, в середній частині веретена мікротрубочки зберігаються найдовше - залишкове тільце.
Цитокінез.
Борозна розподілу утворюється у площині метафазної пластинки під прямим кутом до довгої осі мітотичного веретена. Перетяжка містить актинові філаменти і міозин II, розташовані по екватору клітини, що ділиться під плазматичною мембраною (ПМ) стягуючи її зсередини.
Однією з причин, чому цитокінез не відбувається раніше закінчення мітозу є активність M-Cdk інактивується в кінці мітозу.

метафаза клітина протипухлинна мікротрубочка

Мікротрубочки

У ході мітозу в клітині працює молекулярна машина, яка називається мітотичним веретеном (рис. 1). Його завданням є розподіл хромосом по дочірнім клітинам. Веретено складається з двох центросом, яких називають клітинними центрами, та мікротрубочок.

Малюнок 1 – Схема веретена поділу: 1 – хромосоми; 2 - полюси веретена, центросоми; 3 - міжполюсні мікротрубочки; 4 - кінетохірні мікротрубочки; 5 - астральні мікротрубочки

Мікротрубочки бувають полюсні, кінетохірні та астральні. Полюсні відповідають за розсування центросом, кінетохірні причіплюються до хромосом і рухають їх, а астральні - прикріплюються до внутрішньої поверхні клітини і фіксують полюси поділу. Саме мікротрубочки відповідають за рух хромосом. Розглянемо їхню будову докладніше.

Кожна мікротрубочка є порожнистим циліндром з зовнішнім діаметром 25 нм, внутрішнім 15 нм, і довжиною до декількох мікрометрів. Основною їх складовою є тубулін. У клітині він знаходиться у формі димера, що складається з двох форм -? - І?-тубуліна. Стаючи одна на одну, молекули тубуліна утворюють протофіламент, а 13 протофіламентів, з'єднуючись бічними сторонами, утворюють вже мікротрубочку (це не означає, що при утворенні мікротрубочки спочатку утворюються протофіламенти, які потім зчеплюються бічними сторонами) (рис. 2, А).

Малюнок 2 - Будова та динаміка мікротрубочок: А. Дімер тубуліна – складова частина протофіламенту в мікротрубочці. Б. Електронні мікрофотографії та умовні зображення кінців зростаючої та деполімеризується мікротрубочки

Мікротрубочка може полімеризуватися, тобто рости, коли до неї приєднуються окремі димери, вони приєднуються оборотно. У звичайних умовах цей процес відбувається безперервно, якщо тубуліна в розчині багато; в результаті трубочка поступово зростає, незважаючи на від'єднання.

Середня швидкість зростання мікротрубочки залежить від концентрації тубуліна у розчині. Через полярність молекули тубуліна, сама мікротрубочка є полярною: кінець, що закінчується?-тубуліном, полімеризується швидше і називається плюс-кінцем, відповідно другий кінець закінчується?-тубуліном і називається мінус-кінцем; мінус кінець приєднується клітинному центру, а плюс-кінець - хромосомі.

Полімеризуватися може лише тубулін, пов'язаний з молекулою гуанозинтрифосфату (ГТФ). Однак, перебуваючи в мікротрубочці, ГТФ поступово гідролізує до гуанозиндифосфату (ГДФ). Тому, коли майже вся мікротрубочка складається з ГДФ-тубуліна, але на плюс-кінці знаходиться «шапочка» з ГТФ-тубуліна. Оскільки під час гідролізу виділяється енергія та природним станом ГДФ-тубуліна є вигнутий протофіламент, відсутність такої «шапочки» призвела б мікротрубочку до катастрофічної деполімеризації («розтріскування» мікротрубочки) (рис. 2, Б). Як показують експерименти, для стабільності мікротрубочки необхідні як мінімум два шари ГТФ-тубуліна.

Досить довго було відомо, що в лабораторних умовах деполімеризація мікротрубочки може виконувати роботу (Коуе та ін., 1991). Однак тоді ще неможливо було повністю виключити вплив АТФ-залежних двигунів на рух хромосом.

Щоб перевірити, чи може тільки деполімеризація тубуліна проводити механічну роботу, достатню для переміщення хромосом, добре вивченої дріжджової клітині, у якої відомий геном і три моторних білка, які можуть рухати хромосоми, видалили всі гени, що відповідають за ці білки. Всі такі клітини виявилися життєздатними і здатними до поділу, яке проте проходило повільніше і з великою кількістю помилок. Таким чином, було показано, що моторні білки не необхідні для поділу та основну роботу з переміщення хромосом під час мітозу здійснюють мікротрубочки.

Дослідження в лабораторних умовах дозволили виміряти силу, що виробляється протофіламентами, що згинаються (Грищук та ін., 2005).

Оскільки такі сили занадто малі, використовувався спеціальний пристрій, званий лазерним пінцетом. Він створює сильно сфокусований лазерний промінь, таким чином генеруючи неоднорідне електромагнітне поле. Частинки, які потрапляють у таке поле, прагнуть потрапити до центру. Причому чим далі частка від центру, тим більша на неї діє сила.

Малюнок 3. Схема експерименту, використана для вимірювання сили, що розвивається мікротрубочкою

Щоб виміряти силу деполімеризації, до стінки штучно створеної мікротрубочки (з ГТФ-«шапочкою» на кінці) була приєднана намистинка (рис. 3). Потім за допомогою іншого лазера був відрізаний кінець мікротрубочки, після чого трубочка почала деполімеризуватися. Коли кінці протофіламентів, що згинаються, досягли бусинки, вона випробувала короткий ривок, який був зафіксований за допомогою квадрантного детектора (рис.4).

Малюнок 4 - Вид одержуваних даних

Ці експерименти підтвердили викривлення протофіламентів на кінці мікротрубочки, що скорочується, і дозволили виміряти силу, що розвивається протофіламентами. У ході деполімеризації мікротрубочки розвивають сили, достатні для руху хромосом. Виміряна сила дорівнює 30-60 пН на одну мікротрубочку.

Мікротрубочки є ефективними двигунами: вони перетворюють на роботу з переміщення кульки 80-90% енергії, витраченої на її створення.

Розподіл всіх еукаріотичних клітин пов'язані з формуванням спеціального апарату клітинного поділу. Активна роль у мітотичному розподілі клітин найчастіше відведена цитоскелетним структурам. Універсальним як для тварин, так і для рослинних клітин є двополюсне мітотичне веретено, що складається з мікротрубочок та пов'язаних з ними білків. Веретено поділу забезпечує строго однаковий розподіл хромосом між полюсами поділу, в ділянці яких у телофазі утворюються ядра дочірніх клітин.

Ще одна не менш важлива структура цитоскелету відповідає за поділ цитоплазми і, як наслідок, за розподіл клітинних органел. У тваринних клітинах за цитокінез відповідає скоротливе кільце з актинових та міозинових філаментів. У більшості клітин вищих рослин через наявність жорсткої клітинної стінки цитокінез протікає з утворенням клітинної платівки у площині між двома дочірніми клітинами. При цьому область утворення нової клітинної перегородки визначається заздалегідь передпрофазним пояском з актинових мікрофіламентів, а оскільки актин бере участь також у формуванні клітинних септів у грибів, можливо, він направляє цитокінез у всіх еукаріотів.

Веретено поділу

Пізня метафаза мітозу у клітині легкого тритону. Чітко проглядається веретено поділу, утворене мікротрубочками, та хромосоми.

Формування веретена поділу починається у профазі. У його освіті беруть участь полярні тільця веретена та кінетохори хромосом, і ті та інші взаємодіють з мікротрубочками - біополімерами, що складаються з субодиниць тубуліна. Головним центром організації мікротрубочок у багатьох еукаріотичних клітинах є центросома - скупчення аморфного фібрилярного матеріалу, причому у більшості тварин клітин до складу центросом також входять пари центріолей. Під час інтерфази ЦОМТ, як правило, розташований поблизу клітинного ядра, ініціює зростання мікротрубочок, що розходяться до периметра клітини і утворюють цитоскелет. У S-фазі матеріал центросоми подвоюється, а в профазі мітозу починається розбіжність дочірніх центросом. Від них у свою чергу «відростають» мікротрубочки, які подовжуються до дотику один з одним, після чого центросоми розходяться. Потім, в прометафазі, після руйнування ядерної мембрани мікротрубочки проникають в область клітинного ядра і взаємодіють з хромосомами. Дві дочірні центросоми тепер називають полюсами веретена.

По морфології розрізняють два типи мітотичного веретена: астральний та анастральний.

Астральний тип мітотичної фігури, характерний для тварин клітин, вирізняються завдяки невеликим зонам, на полюсах веретена, в яких сходяться мікротрубочки. Найчастіше центросоми, розташовані в області полюсів астрального веретена, містять центріолі. Від полюсів поділу також розходяться у всіх напрямках радіальні мікротрубочки, що не входять до складу веретена, а утворюють зірчасті зони - цитастери.

Анастральний тип мітотичної фігури відрізняється широкими полярними областями веретена, так званими полярними шапочками, до складу яких не входять центріолі. Мікротрубочки при цьому розходяться широким фронтом від усієї зони полярних шапочок. Цей тип мітотичної фігури також вирізняє відсутність цитастерів. Анастральний тип мітотичного веретена найбільш характерний для клітин вищих рослин, що діляться, хоча іноді спостерігається і в деяких клітинах тварин.

Мікротрубочки

Мікротрубочки - динамічні структури, що беруть активну участь у побудові веретена поділу під час мітозу. Хімічно вони є біополімерами, що складаються з субодиниць білка тубуліна. Кількість мікротрубочок у клітинах різних організмів може значно відрізнятися. У метафазі веретено поділу в клітинах вищих тварин і рослин може містити до декількох тисяч мікротрубочок, тоді як у деяких грибів їх всього близько 40.

Мітотичні мікротрубочки веретена поділу динамічно нестабільні. Їхні «позитивні» або «плюс-кінці», що розходяться у всіх напрямках від центросом, різко переходять від рівномірного зростання до стрімкого укорочення, при якому часто деполімеризується вся мікротрубочка. Згідно з цими даними утворення мітотичного веретена пояснюється селективною стабілізацією мікротрубочок взаємодіють в екваторіальній ділянці клітини з кінетохорами хромосом і з мікротрубочками, що йдуть від протилежного полюса поділу. Ця модель пояснює характерну двополюсну фігуру мітотичного веретена.

Центромери та кінетохори

Центромери спеціалізовані послідовності ДНК, необхідні для зв'язування з мікротрубочками веретена поділу і для подальшого розходження хромосом. Залежно від локалізації розрізняють кілька типів центроміру. Для голоцентричних центромір характерне утворення зв'язків із мікротрубочками веретена по всій довжині хромосоми. На противагу голоцентричним моноцентричні центроміри служать для зв'язку з мікротрубочками в єдиній ділянці хромосоми.

У центромірній області зазвичай розташовуються кінетохори хромосом - складні білкові комплекси, морфологічно дуже подібні за своєю структурою для різних груп еукаріотів, як, наприклад, для діатомових водоростей, так і для людини. Зазвичай на кожну хроматиду припадає по одному кінетохору. На електронних мікрофотографіях кінетохор зазвичай виглядає як пластинчаста тришарова структура. Порядок шарів наступний: внутрішній щільний шар, що примикає до тіла хромосоми; середній пухкий шар; зовнішній щільний шар, від якого відходить безліч фібрил, утворюючи т.з. фіброзну корону кінетохора.

До основних функцій кінетохора відносять: закріплення мікротрубочок веретена поділу, забезпечення руху хромосом під час мітозу за участю мікротрубочок, зв'язування між собою сестринських хроматид та регуляцію їхнього подальшого поділу в анафазі мітозу. Мінімально достатньо однієї мікротрубочки асоційованої з кінетохором, щоб забезпечити рух хромосоми. Однак з одним кінетохором можуть бути пов'язані цілі пучки, що складаються з 20-40 мікротрубочок, щоб забезпечити розбіжність хромосом до полюсів клітини.