И деления клетки. Типичное веретено является биполярным - между двумя полюсами образуется веретенообразная система микротрубочек. Микротрубочки веретена присоединяются к кинетохорам хроматид в области центромер и обеспечивают движение хромосом по направлению к полюсам.

Веретено образуют три основных структурных элемента: микротрубочки, полюса деления и хромосомы. В организации полюсов деления у животных участвуют центросомы , содержащие центриоли . У растений , а также в ооцитах некоторых животных центросомы отсутствуют, и образуется ацентросомальное веретено с широкими полюсами. Важную роль в формировании веретена играют моторные белки , относящиеся к семействам динеинов и кинезинов .

Полноценное веретено деления образуется на стадии прометафазы после разрушения ядерной мембраны , когда цитоплазматические микротрубочки и центросомы (у животных) получают доступ к хромосомам и другим компонентам веретена. Исключение составляет веретено деления почкующихся дрожжей , которое формируется внутри ядра.

Структура

Веретено деления типичной клетки млекопитающих состоит из трёх структурных элементов - центросом , микротрубочек и хромосом , - которые образуют симметричную биполярную структуру. На полюсах веретена располагаются центросомы - небольшие органеллы, функционирующие как центры организации микротрубочек . Каждая центросома состоит из пары центриолей , окруженных множеством разных белков. Между полюсами веретена находятся конденсированные хромосомы, состоящие из пары хроматид , скреплённых в области центромеры . На центромерных участках хромосом находятся кинетохоры - сложные структуры, отвечающие за прикрепление к микротрубочкам веретена .

Веретено деления состоит из двух полуверетён. Полуверетено образуется из поляризованных микротрубочек. Отрицательные минус-концы микротрубочек собираются на полюсах веретена вокруг центросом. Плюс-концы микротрубочек отдаляются от двух полюсов и пересекаются в средней экваториальной части веретена. У большинства позвоночных полуверетено состоит из 600-750 микротрубочек, 30-40 % которых заканчиваются на кинетохорах. Микротрубочки, которые соединяют полюса веретена с кинетохорами хромосом, называются кинетохорными . Причём каждый кинетохор при образовании веретена связывается с множеством микротрубочек и образует кинетохорный пучок. Микротрубочки, которые располагаются между полюсами и не присоединяются к кинетохорам, называются межполюсными . Часть микротрубочек веретена образует вокруг каждого полюса радиальные структуры, называемые звёздами или астерами. Такие микротрубочки называются астральными .

У растений, а также в ооцитах некоторых животных центросомы отсутствуют, и образуется ацентросомальное веретено с широкими полюсами . Также на полюсах ацентросомального веретена отсутствуют астральные микротрубочки. В остальном структура веретена растительной клетки соответствует структуре веретена животной клетки.

Сборка веретена деления

Начало сборки веретена в профазе

Сборка веретена деления начинается в профазе. Однако на данном этапе образование полноценного веретена невозможно по причине изоляции хромосом, а также важных моторных, регуляторных и стабилизирующих белков внутри ядра.

У растений, по причине отсутствия центросом, роль центра организации микротрубочек в профазе выполняет ядерная оболочка. Микротрубочки собираются вблизи поверхности ядра и к окончанию профазы ориентируются вдоль оси будущего веретена деления, образуя так называемое профазное веретено .

В животных клетках центром организации микротрубочек является центросома. Поэтому образование веретена деления начинается с разделения и расхождения пары центросом во время профазы. Расхождение центросом в профазе обеспечивают моторные белки динеины . Они закрепляются на внутренней стороне клеточной мембраны и на внешней поверхности ядра. Закреплённые в мембране динеины присоединяются к астральным микротрубочкам и движутся в направлении минус-конца микротрубочки. За счёт этого центросомы перемещаются к противоположным участкам клеточной мембраны и расходятся дальше друг от друга .

Сборка веретена в прометафазе

Самоорганизация веретена:

Исключение составляет веретено деления почкующихся дрожжей, которое формируется внутри ядра .

Самоорганизация веретена

У всех эукариот сборка биполярного веретена деления зависит по большей части от способности компонентов веретена к самоорганизации. Самоорганизация - единственный механизм сборки веретена деления в клетках лишённых центросом . Сборка биполярного веретена без участия центросом называется ацентросомальной. Она характерна для высших растений, а также наблюдается при мейозе на ранних стадиях развития некоторых животных. Более того, предполагается, что самоорганизация микротрубочек является преобладающим механизмом сборки веретена, даже в животных клетках, содержащих центросомы.

Самоорганизация веретена начинается после разрушения ядерной мембраны. Цитоплазматические микротрубочки собираются (нуклеируются) вокруг хромосом. Здесь при участии локальных стабилизирующих факторов происходит удлинение накапливающихся микротрубочек. Далее начинается организация микротрубочек с участием трёх групп моторных белков :

• Моторные белки семейства кинезин-5 (Eg5) связываются с двумя противоположно ориентированными микротрубочками и одновременно движутся в направлении плюс-конца каждой из них. В итоге происходит сортировка антипараллельных поляризованных микротрубочек и их «сшивка» в районе плюс-конца.
• Хромокинезины - белковые моторы семейства кинезин-4 и -10, локализованные на плечах хромосом, - связывают микротрубочки находящиеся вблизи хромосом и перемещаются в направлении плюс-конца микротрубочки. Тем самым плечо хромосомы оказывается связано с плюс-концом микротрубочки, а минус-конец оказывается дистанцирован от хромосомы.
• Третья группа моторных белков перемещается в направлении минус-концов микротрубочек и обеспечивает связку минус-концов на полюсах веретена. К данной группе моторов относятся цитоплазматические динеины , кинезин-14. Динеин участвует в фокусировке полюсов деления совместно с многочисленными ядерными белками, например NuMA1 (англ. Nu clear M icrotubule-A ssociated protein 1).

Сборка с участием центросом

Во многих животных клетках, включая человеческие, в сборке веретена участвуют центросомы, являющиеся полюсами веретена деления. Также как и при сборке ацентросомального веретена, моторные и другие белки участвуют в самоорганизации микротрубочек в биполярную структуру, которая фокусируется с помощью минус-концов микротрубочек в области центросом. Центросомы при этом тоже участвуют в сборке веретена и способствуют формированию полюсов деления, но не являются неотъемлемым компонентом веретена, так как процесс сборки может протекать даже при инактивации центросом .

В зависимости от времени расхождения центросом относительно момента разрушения ядерной оболочки выделяют два механизма образования веретена :

1. Если ядерная оболочка разрушается до начала расхождения центросом, то высвободившиеся хромосомы распределяются по цитоплазме, и образуется «однополюсное» веретено с микротрубочками, расходящимися от спаренных центросом. Дальнейшее образование двухполюсного веретена происходит за счёт сил отталкивания перекрывающихся микротрубочек и под действием тянущих сил астральных микротрубочек. Отталкивающее усилие между перекрывающимися микротрубочками создаётся кинезиноподобными белками Eg5. Тянущие силы, приложенные к астральным микротрубочкам, создаются цитоплазматическими динеинами, закреплёнными на внутренней поверхности клеточной мембраны.
2. Второй вариант сопряжён с расхождением центросом и образованием первичного веретена до разрушения ядерной оболочки. Первичное веретено образуется за счёт тянущих сил астральных микротрубочек, которые создаются цитоплазматическими динеинами, закреплёнными на внутренней поверхности клеточной мембраны и на поверхности ядерной оболочки. Направление расхождения центросом задаётся актиновыми филаментами, которые взаимодействуют с миозином , расположенным в самих центросомах или вдоль микротрубочек. Первичное веретено является нестабильным. Для его устойчивости необходимо взаимодействие с кинетохорами хромосом и другими белками, находящимися внутри клеточного ядра.

Присоединение хромосом к веретену

Наиболее изучен механизм присоединения хромосом к веретену в животных клетках содержащих центросомы. Во время профазы вокруг центросом формируется звёздчатая структура из микротрубочек, расходящихся в радиальном направлении. Область ядра после разрушения ядерной мембраны активно зондируется динамически нестабильными микротрубочками, которые захватываются кинетохорами хромосом. Часть хромосом быстро связывается с микротрубочками от противоположных полюсов. Другая часть хромосом сначала присоединяется к микротрубочкам исходящим от одного из полюсов. После чего перемещается в направлении соответствующего полюса. Затем связанные с одним полюсом хромосомы захватывают микротрубочки от противоположного полюса. В процессе метафазы к каждому кинетохору присоединяется порядка 10-40 микротрубочек, которые образуют кинетохорный пучок. Все хромосомы оказываются связанными с противоположными полюсами деления и собираются в метафазную пластинку в центре веретена .

Существует также альтернативная модель присоединения кинетохоров к веретену, подходящая как для клеток с центросомами, так и для клеток лишённых центросом. Согласно этой модели вблизи хромосом происходит нуклеация коротких микротрубочек при участии гамма-тубулинового кольцевого комплекса. Своим плюс-концом микротрубочки встраиваются в кинетохоры. Вслед за этим происходит регулируемый рост (полимеризация) микротрубочек. Удлиняющиеся минус-концы микротрубочек «сшиваются» и фокусируются в области полюсов деления при участии моторных белков. Центросомы (в случае их наличия) способствуют присоединению кинетохорных микротрубочек к полюсам деления .

Биполярная ориентация сестринских хроматид

Для равного распределения хромосом между дочерними клетками, важно, чтобы кинетохоры парных хроматид были присоединены к микротрубочкам, исходящим от противоположных полюсов. Нормальное биполярное прикрепление кинетохоров к противоположным полюсам называется амфителическим . Однако в процессе сборки веретена могут возникать иные прикрепления хромосом. Присоединение одного кинетохора к одному полюсу деления называется монотелическим . Присоединение сразу двух кинетохоров одной хромосомы к одному полюсу деления называется синтелическим . Возможно также и меротелическое прикрепление, при котором один кинетохор соединяется сразу с двумя полюсами .

Неверное присоединение отчасти предотвращается за счёт самой геометрии сестринских кинетохоров, которые находятся на противоположных сторонах центромерной области хромосом. К тому же неправильные прикрепления являются нестабильными и обратимыми, а нормальное биполярное крепление кинетохоров является стабильным. Стабильное соединение достигается за счёт сил натяжения, исходящих от противоположных полюсов деления. Основным компонентом регуляторной системы, ответственной за правильное присоединение кинетохоров к противоположным полюсам, является протеинкиназа ISBN 978-0-9539181-2-6 .

Веретено представляет собой комплекс, состоящий из микротрубочек и связанных с ними моторных белков. Организация микротрубочек обладает высоким уровнем поляризации

Микротрубочки веретена представляют собой очень динамичную структуру. Одни проявляют динамическую нестабильность, для других характерна текучесть субъединиц

Сила, необходимая для сборки веретена, генерируется при взаимодействии микротрубочек с моторными белками

Образование и функционирование веретена зависят от динамических свойств микротрубочек и от работы связанных с ними белковых моторов. Хотя микротрубочки образуют основные структурные элементы веретена, их организация и движение хромосом обеспечиваются белковыми моторами. Одни моторы непосредственно участвуют в сборке веретена и в связывании его компонентов в определенную структуру, а другие обеспечивают присоединение хромосом к веретену и генерируют силу, необходимую для их перемещения.

Несмотря на то что традиционно веретено рассматривается как структура, состоящая из микротрубочек , правильнее считать ее комплексом микротрубочек, белковых моторов и других белков.

Хотя моторы играют существенную роль в генерации силы, необходимой для функционирования веретена , микротрубочки представляют собой нечто большее, чем просто неподвижную структуру, вдоль которой они движутся. Во время митоза микротрубочки ведут себя как высокодинамичная структура, и это их свойство играет важную роль при сборке веретена и расхождении хромосом.

В пределах веретена микротрубочки организованы в соответствии с полярностью. Два конца микротрубочки различаются по составу и структуре. Это обусловливает ее структурную «полярность»; микротрубочка как бы указывает то или иное направление. В каждом полуверетене и связанной с ним звезде микротрубочки расположены с одинаковой полярностью: их минус-концы находятся на полюсах, а плюс-концы, на некотором от них расстояниии.

В месте пересечения двух поляризованных пучков микротрубочки перекрываются, создавая область в центре веретена, в которой соседние микротрубочки имеют противоположную полярность. Одинаковая ориентация микротрубочек в каждом полуверетене необходима для нормального функционирования их моторов при делении. Если бы полярность микротрубочек в пределах каждого полуверетена была произвольной, то молекулы каждого типа моторов просто мешали бы друг другу, делая движение хаотичным или просто невозможным.

Динамические свойства микротрубочек играют важную роль во всех фазах . Исследования, проведенные на культуре клеток позвоночных и с использованием экстрактов из яйцеклеток лягушки Xenopus laevis, показали, что в каждом веретене микротрубочки характеризуются динамической нестабильностью и являются более короткими и гораздо более динамичными, чем в интерфазных клетках. Некоторые различия можно объяснить возрастанием частоты катастроф в митозе, когда плюс-концы микротрубочек из состояния роста или полимеризации переходят в состояние укорочения или разрушения. Частично это также объясняется снижением частоты наступления спасений, при которых процесс деполимеризации или укорочения микротрубочек обратно переходит в процесс их полимеризации или роста.

Это усиление динамики происходит в клетках, вступающих в митоз, поскольку белки, связанные с микротрубочками и обычно препятствующие катастрофе, заингибированы, в то время как другие, стимулирующие рост микротрубочек, активируются. Баланс между двумя противоположно направленными процессами поддерживается основной киназой, регулирующей митоз, комплексом циклин B/CDK1, которая активируется во время разрушения ядерной оболочки. Как будет показано ниже, усиление динамики микротрубочек в клетках, вступающих в митоз, играет основную роль в сборке веретена.

После образования веретена начинает проявляться еще один тип динамики микротрубочек. В это время микротрубочки обнаруживают текучесть субъединиц. Это интересное явление заключается в том, что субъединицы тубулина присоединяются к плюс-концу микротрубочки и затем продвигаются по ней к минус-концу, на котором высвобождаются. Как следует из рисунков ниже, текучесть характерна для всех микротрубочек веретена, однако особенно она проявляется у микротрубочек нитей кинетохора. Происхождение этого явления не вполне понятно, но, возможно, оно связано с взаимодействием плюс- и минус-концов микротрубочек веретена с другими его компонентами (например, с белковыми моторами). Даже в то время, когда у микротрубочек веретена наблюдается текучесть, астральные микротрубочки продолжают проявлять динамическую нестабильность.

Хотя значение явления текучести неизвестно, возможно, оно играет роль в перемещении хромосом и в поддержании баланса сил в веретене, с тем чтобы две его половины оставались расположенными симметрично.

С системой микротрубочек взаимодействуют много различных типов белковых моторов . В митозе участвует цитоплазматический мотор динеин, осуществляющий транспорт к минус-концу, и моторы группы кинезинов (большая часть которых движется в направлении плюс-конца). Веретено имеет сложную организацию, и моторы настолько тесно связаны с его формированием и функцией, что только в делении клеток высших организмов участвует более 15 представителей семейства кинезинов.

Белковые моторы расположены по всему веретену. Они находятся на кинетохорах, на плече хромосом, на полюсах и на микротрубочках между полюсами и хромосомами. Многие типы моторов располагаются только в определенных местах, другие занимают несколько мест. Например, цитоплазматический динеин обнаружен в кинетохорах и на полюсах, а также в клеточном кортексе, где он взаимодействует с астральными микротрубочками. В то же время кинезин-подобный белковый мотор CENP-E находится в кинетохоре, а хромокинезины только на плечах хромосом.

В митозе белковые моторы выполняют несколько основных функций. Одни из них, например динеин, связываются со структурами, включая кинетохоры и плазматическую мембрану, и транспортируют их вдоль микротрубочки (хотя в случае плазматической мембраны движется микротрубочка). Другие имеют множественные домены, организованные таким образом, что мотор может связываться сразу с двумя микротрубочками, и скреплять их между собой. В зависимости от структуры моторов микротрубочки в пучке могут обладать той же самой или противоположной полярностью. Если мотор связывается с микротрубочками противоположной полярности, он будет пытаться двигаться (скользить) по ним до тех пор, пока они перекрываются. Примером такого типа моторов является представитель кинезинов Eg5, который может связываться с обоими концами антипараллельных микротрубочек.

Наоборот, если мотор устроен так, что он связан с двумя микротрубочками с одинаковой полярностью, то в результате образуется структура с такой же полярностью, расположенная таким образом, что микротрубочки образуют фигуру, напоминающую звезду. Прочие кинезин-подобные белки не перемещаются по микротрубочкам, а способствуют разборке их плюс-концов. Наглядным примером такого белка является кинезин, связанный с митотической центромерой (МСАК), который находится на центромере каждой хромосомы. В состав веретена входят моторы с перечисленными выше основными свойствами, которые определенным образом расположены относительно друг друга. Эти же моторы генерируют усилия для движения хромосом.

Не всегда ясно, каким образом моторы обеспечивают функционирование веретена . В ряде случаев, например, они располагаются таким образом, что могут мешать друг другу. Однако, независимо от деталей строения веретена, очевидно, что его образования и функционирования необходимы множественные сбалансированные усилия. Эти усилия обеспечиваются моторами, которые расположены на каркасе динамических микротрубочек веретена.

ВЕРЕТЕНО ДЕЛЕНИЯ , палочковидная система микротрубочек в цитоплазме клетки в процессе МИТОЗА или МЕЙОЗА. ХРОМОСОМЫ прикреплены к выпуклости веретена деления (экватору). Веретено деления вызывает расхождение хромосом, заставляя клетки делиться. см. также МЕТАФАЗА .

• - структура, возникающая из микротрубочек в профазе митоза и представляющая собой систему тонких нитей, идущих от полюсов клетки к ее центру...
• - зона корня, представленная его апексом, клетки которого активно делятся в результате митоза, обеспечивая рост корня; защищена корневым чехликом. Протяженность З. д. – менее одного миллиметра...

  Анатомия и морфология растений

• - атомы и ядра,...

  Физическая энциклопедия

• - палочковидная система микротрубочек в цитоплазме клетки в процессе МИТОЗА или МЕЙОЗА. ХРОМОСОМЫ прикреплены к выпуклости веретена деления...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - Fission fragments ядра, образующиеся при ядерном делении и обладающие кинетической энергией, полученной при этом делении...

  Термины атомной энергетики

• - Fission products нуклиды, образующиеся как в результате ядерного деления, так и в результате радиоактивного распада нуклидов, образовавшихся при ядерном делении...

  Термины атомной энергетики

• - Nuclear fission см. Ядерное деление...

  Термины атомной энергетики

• - synchronous divisions - .Oдновременно проходящие деления в группе аналогичных клеток, - например, в культуре...

  Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь

• - система микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение и строго одинаковое распределение хромосом между дочерними клетками...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - клеточная структура, обеспечивающая равномерное расхождение хромосом во время митоза или мейоза...

  Большой медицинский словарь

• - структура, состоящая из микротрубочек и ассоциированных с ними белков; образуется в ходе митоза между двумя парами цснтриолей...

  Медицинские термины

• - расположенный внутри сухожилия вблизи мышц рецептор, который воспринимает натяжение сухожилия, посылая в центральную нервную систему соответствующие импульсы...

  Медицинские термины

• - ахроматиновое, или митотическое, веретено, образование, возникающее в животной и растительной клетке при её митотическом делении и принимающее участие в расхождении хромосом...
• - два последовательных непрямых деления развивающихся половых клеток у животных и растений, размножающихся половым путём. В результате Д. с. число хромосом в ядрах половых клеток уменьшается вдвое...

  Большая Советская энциклопедия

• - в биологии - система микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение и строго одинаковое распределение хромосом между дочерними клетками...

  Большой энциклопедический словарь

• - деле́ния мн. разг. Промежутки между отметками - обычно в виде черточек - на измерительной шкале...

  Толковый словарь Ефремовой

"ВЕРЕТЕНО ДЕЛЕНИЯ" в книгах

Упражнение «Веретено»

1.12. Правила деления

автора Гусев Дмитрий Алексеевич

1.12. Правила деления Существует несколько логических правил деления понятия. Нарушение хотя бы одного из них приводит к тому, что объем понятия не раскрывается, и деление не достигает своей цели, являясь неверным. Рассмотрим эти правила и ошибки, возникающие при их

22. Классификация деления

Из книги Логика автора Шадрин Д А

22. Классификация деления Одним из особых видов деления является классификация. Это планомерное, последовательное деление понятий с распределением видов во взаимообусловленную систему, в рамках которой последние делятся на подвиды, подвиды также разбиваются на члены

Основание деления

Из книги Учебник логики автора Челпанов Георгий Иванович

Основание деления Когда мы делим понятие на виды, мы делим не просто так, а на основании чего-нибудь. Если мы делим женщин на блондинок, брюнеток и рыжих основанием будет являться их цвет волос. Если мы делим женщин на русских, цыганок и негритянок, основанием будет

Голубое веретено - жимолость съедобная

Из книги Без труда не съешь и ягодку с куста автора Кизима Галина Александровна

Голубое веретено - жимолость съедобная В диком виде жимолость растет на Камчатке, в лесах Приморского края, на Курилах. Среди многочисленных видов дикой жимолости выделяется группа синих жимолостей, ягоды которых являются съедобными. Обладая приятным кисло-сладким

«Локти свои утверждает на веретено…»

Из книги Мы - славяне! автора Семенова Мария Васильевна

«Локти свои утверждает на веретено…» Весьма устойчивая традиция рисует «примерных», то есть домовитых, трудолюбивых женщин и девушек Древней Руси (как и других современных ей европейских стран) всего чаще занятыми за прялкой. Это касается и «добрых жён» наших летописей,

Веретено

Из книги Энциклопедия славянской культуры, письменности и мифологии автора Кононенко Алексей Анатольевич

Веретено Женское орудие труда для прядения шерсти. В обрядовой символике имеет весомое значение благодаря быстрому движению, кручению, вращению. Считали, что подобно веретену вращается земля; что земля имеет такой же вращательный стержень, как и веретено. Древняя богиня

Веретено

БСЭ

Веретено деления клетки

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВЕ) автора БСЭ

ВЕРЕТЕНО

Из книги Рок-энциклопедия. Популярная музыка в Ленинграде-Петербурге, 1965–2005. Том 1 автора Бурлака Андрей Петрович

ВЕРЕТЕНО В течение одного года – с весны 1973-го до весны 1974-го – в Питере появились и исчезли две группы, носившие одно и то же имя ВЕРЕТЕНО, и, хотя они никак не были связаны между собой (более того, не подозревали о существовании друг друга), впоследствии их музыканты

Пример A-18. Генерация простых чисел, с использованием оператора деления по модулю (остаток от деления)

Из книги Искусство программирования на языке сценариев командной оболочки автора Купер Мендель

Пример A-18. Генерация простых чисел, с использованием оператора деления по модулю (остаток от деления) #!/bin/bash# primes.sh: Генерация простых чисел, без использования массивов.# Автор: Stephane Chazelas.# Этот сценарий не использует класический алгоритм "Решето Эратосфена",#+ вместо него

Упражнение «Веретено»

Из книги Славянская гимнастика. Свод Здравы Стрибога. Свод Здравы Макоши автора Баранцевич Евгений Робертович

Упражнение «Веретено» Далее следует вариант «Веретено». Это базовое упражнение имеет мистический характер. Несмотря на внешнюю простоту, оно обладает несколькими уровнями сложностями. К «Веретену» мы будем возвращаться не раз. Оно лежит в основе изучения легендарной

Георгий Судовцев ВЕРЕТЕНО ВРЕМЕНИ

Из книги Газета День Литературы # 129 (2007 5) автора День Литературы Газета

Георгий Судовцев ВЕРЕТЕНО ВРЕМЕНИ *** На полустанке Когда-нибудь поезд её увезёт туда, где дружны Лобачевский с Эвклидом… Но вишни цветут, и дымит креозот, и рядом подружки, Наташа и Лида. Их пристальный мир из ракушек и мальв, в

Упражнение «Веретено»

Из книги Своды Славянской гимнастики автора Мешалкин Владислав Эдуардович

Упражнение «Веретено» Далее следует совмещенный вариант «Веретена». Упражнение несет в себе базовый и вместе с тем мистический характер. Несмотря на внешнюю простоту, оно имеет несколько глубин исполнения. К «Веретену» мы будем возвращаться не раз. Оно лежит в основе

Упражнение «Веретено»

Из книги Славянская гимнастика. Свод Здравы Перуна автора Баранцевич Евгений Робертович

Упражнение «Веретено» Далее следует совмещенный вариант «Веретено». Это упражнение несет в себе базовый и вместе с тем мистический характер. Несмотря на внешнюю простоту, оно имеет несколько глубин исполнения. К «Веретену» мы будем возвращаться не раз. Это оно лежит в

7. Аппарат клеточного деления
8. Фазы митоза
9. Патология митоза

Деление всех эукариотических клеток сопряжено с формированием специального аппарата клеточного деления. Активная роль в митотическом делении клеток зачастую отведена цитоскелетным структурам. Универсальным как для животных, так и для растительных клеток является двухполюсное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и связанных с ними белков. Веретено деления обеспечивает строго одинаковое распределение хромосом между полюсами деления, в области которых в телофазе образуются ядра дочерних клеток.

Ещё одна не менее важная структура цитоскелета отвечает за разделение цитоплазмы и, как следствие, за распределение клеточных органелл. В животных клетках за цитокинез отвечает сократимое кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. В большинстве клеток высших растений из-за наличия жёсткой клеточной стенки цитокинез протекает с образованием клеточной пластинки в плоскости между двумя дочерними клетками. При этом область образования новой клеточной перегородки определяется заранее предпрофазным пояском из актиновых микрофиламентов, а поскольку актин участвует также в формировании клеточных септ у грибов, возможно, что он направляет цитокинез у всех эукариот.

Веретено деления

Поздняя метафаза митоза в клетке лёгкого тритона. Четко просматривается веретено деления, образованное микротрубочками, и хромосомы

Формирование веретена деления начинается в профазе. В его образовании принимают участие полярные тельца веретена и кинетохоры хромосом, и те и другие взаимодействуют с микротрубочками — биополимерами, состоящими из субъединиц тубулина. Главным центром организации микротрубочек во многих эукариотических клетках является центросома — скопление аморфного фибриллярного материала, причём в большинстве животных клеток в состав центросом также входят пары центриолей. Во время интерфазы ЦОМТ, как правило, располагающийся вблизи клеточного ядра, инициирует рост микротрубочек, расходящихся к периметру клетки и образующих цитоскелет. В S-фазе материал центросомы удваивается, а в профазе митоза начинается расхождение дочерних центросом. От них в свою очередь «отрастают» микротрубочки, которые удлиняются вплоть до соприкосновения друг с другом, после чего центросомы расходятся. Затем, в прометафазе, после разрушения ядерной мембраны, микротрубочки проникают в область клеточного ядра и взаимодействуют с хромосомами. Две дочерние центросомы теперь называют полюсами веретена.

По морфологии различают два типа митотического веретена: астральный и анастральный.

Астральный тип митотической фигуры, характерный для животных клеток, отличают благодаря небольшим зонам, на полюсах веретена, в которых сходятся микротрубочки. Зачастую центросомы, располагающиеся в области полюсов астрального веретена, содержат центриоли. От полюсов деления также расходятся во всех направлениях радиальные микротрубочки, не входящие в состав веретена, а образующие звездчатые зоны — цитастеры.

Анастральный тип митотической фигуры отличается широкими полярными областями веретена, так называемыми полярными шапочками, в их состав не входят центриоли. Микротрубочки при этом расходятся широким фронтом от всей зоны полярных шапочек. Этот тип митотической фигуры также отличает отсутствие цитастеров. Анастральный тип митотического веретена наиболее характерен для делящихся клеток высших растений, хотя иногда наблюдается и в некоторых клетках животных.

Микротрубочки

Микротрубочки — динамичные структуры, принимающие активное участие в построении веретена деления во время митоза. Химически они представляют собой биополимеры, состоящие из субъединиц белка тубулина. Количество микротрубочек в клетках различных организмов может значительно отличаться. В метафазе веретено деления в клетках высших животных и растений может содержать до нескольких тысяч микротрубочек, тогда как у некоторых грибов их всего около 40.

Митотические микротрубочки веретена деления «динамически нестабильны». Их «положительные» или «плюс-концы», расходящиеся во всех направлениях от центросом резко переходят от равномерного роста к стремительному укорочению, при котором часто деполимеризуется вся микротрубочка. Согласно этим данным образование митотического веретена объясняется селективной стабилизацией микротрубочек взаимодействующих в экваториальной области клетки с кинетохорами хромосом и с микротрубочками, идущими от противоположного полюса деления. Данная модель объясняет характерную двухполюсную фигуру митотического веретена.

Центромеры и кинетохоры

Центромеры — специализированные последовательности ДНК, необходимые для связывания с микротрубочками веретена деления и для последующего расхождения хромосом. В зависимости от локализации различают несколько типов центромер. Для голоцентрических центромер характерно образование связей с микротрубочками веретена по всей длине хромосомы. В противоположность голоцентрическим моноцентрические центромеры служат для связи с микротрубочками в единственной области хромосомы.

В центромерной области обычно располагаются кинетохоры хромосом — сложные белковые комплексы, морфологически очень сходные по своей структуре для различных групп эукариот, как, например, для диатомовых водорослей, так и для человека. Обычно на каждую хроматиду приходится по одному кинетохору. На электронных микрофотографиях кинетохор обычно выглядит как пластинчатая трехслойная структура. Порядок слоев следующий: внутренний плотный слой, примыкающий к телу хромосомы; средний рыхлый слой; внешний плотный слой, от которого отходит множество фибрилл, образуя т. н. фиброзную корону кинетохора.

К основным функциям кинетохора относят: закрепление микротрубочек веретена деления, обеспечение движения хромосом во время митоза при участии микротрубочек, связывание между собой сестринских хроматид и регуляцию их последующего разделения в анафазе митоза. Минимально достаточно одной микротрубочки ассоциированной с кинетохором, чтобы обеспечить движение хромосомы. Однако с одним кинетохором могут быть связаны целые пучки, состоящие из 20-40 микротрубочек, чтобы обеспечить расхождение хромосом к полюсам клетки.

Прево, Жан-Луи

метафаза клетка противоопухолевый микротрубочка

Микротрубочки

В ходе митоза в клетке работает молекулярная машина, называемая митотическим веретеном (рис. 1). Его задачей является распределение хромосом по дочерним клеткам. Веретено состоит из двух центросом, которых называют клеточными центрами, и микротрубочек.

Рисунок 1 - Схема веретена деления: 1 -- хромосомы; 2 -- полюса веретена, центросомы; 3 -- межполюсные микротрубочки; 4 -- кинетохорные микротрубочки; 5 -- астральные микротрубочки

Микротрубочки бывают полюсные, кинетохорные и астральные. Полюсные отвечают за раздвижение центросом, кинетохорные прицепляются к хромосомам и двигают их, а астральные -- прикрепляются к внутренней поверхности клетки и фиксируют полюса деления. Именно микротрубочки отвечают за движение хромосом. Рассмотрим их строение подробнее.

Каждая микротрубочка представляет собой полый цилиндр с внешним диаметром 25 нм, внутренним 15 нм, и длиной до нескольких микрометров. Основной их составляющей является тубулин. В клетке он находится в форме димера, состоящего из двух форм -- ?- и?-тубулина. Становясь друг на друга, молекулы тубулина образуют протофиламент, а 13 протофиламентов, соединяясь боковыми сторонами, образуют уже микротрубочку (это не значит, что при образовании микротрубочки сначала образуются протофиламенты, которые потом сцепляются боковыми сторонами) (рис. 2, А).

Рисунок 2 - Строение и динамика микротрубочек: А. Димер тубулина - составляющая часть протофиламента в микротрубочке. Б. Электронные микрофотографии и условные изображения концов растущей и деполимеризующейся микротрубочки

Микротрубочка может полимеризоваться, т. е. расти, когда к ней присоединяются отдельные димеры, они присоединяются обратимо. В обычных условиях этот процесс идет непрерывно, если тубулина в растворе много; в итоге трубочка постепенно растет, несмотря на отсоединение.

Средняя скорость роста микротрубочки зависит от концентрации тубулина в растворе. Из-за полярности молекулы тубулина, сама микротрубочка является полярной: конец, заканчивающийся?-тубулином, полимеризуется быстрее и называется плюс-концом, соответственно второй конец заканчивается?-тубулином и называется минус-концом; минус конец присоединяется клеточному центру, а плюс-конец -- хромосоме.

Полимеризоваться может только тубулин, связанный с молекулой гуанозинтрифосфата (ГТФ). Однако, находясь в микротрубочке, ГТФ постепенно совершает гидролиз до гуанозиндифосфата (ГДФ). Поэтому, в то время, когда почти вся микротрубочка состоит из ГДФ-тубулина, но на плюс-конце находится «шапочка» из ГТФ-тубулина. Поскольку во время гидролиза выделяется энергия и естественным состоянием ГДФ-тубулина является изогнутый протофиламент, отсутствие такой «шапочки» привело бы микротрубочку к катастрофической деполимеризации («растрескиванию» микротрубочки) (рис. 2, Б). Как показывают эксперименты, для стабильности микротрубочки необходимы как минимум два слоя ГТФ-тубулина.

Достаточно долго было известно, что в лабораторных условиях, деполимеризация микротрубочки может производить работу (Коуэ и др., 1991). Однако в то время еще невозможно было полностью исключить влияние АТФ-зависимых двигателей на движение хромосом.

Чтобы проверить, может ли только деполимеризация тубулина производить механическую работу, достаточную для перемещения хромосом, в хорошо изученной дрожжевой клетке, у которой известен геном и три моторных белка, которые могут двигать хромосомы, удалили все гены, отвечающие за эти белки. Все такие клетки оказались жизнеспособными и способными к делению, которое, однако, проходило медленнее и с большим количеством ошибок. Таким образом, было показано, что моторные белки не необходимы для деления и основную работу по перемещению хромосом во время митоза совершают микротрубочки.

Исследования в лабораторных условиях позволили измерить силу, производимую изгибающимися протофиламентами (Грищук и др., 2005).

Поскольку такие силы слишком малы, использовалось специальное устройство, называемое лазерным пинцетом. Он создает сильно сфокусированный лазерный луч, генерируя таким образом неоднородное электромагнитное поле. Частицы, попадающие в такое поле, стремятся попасть в центр. Причем, чем дальше частица от центра, тем большая на нее действует сила.

Рисунок 3. Схема эксперимента, использованная для измерения силы, развиваемой микротрубочкой

Чтобы измерить силу деполимеризации, к стенке искусственно созданной микротрубочки (с ГТФ-«шапочкой» на конце) была присоединена бусинка (рис. 3). Затем с помощью другого лазера был отрезан конец микротрубочки, после чего трубочка начала деполимеризоваться. Когда изгибающиеся концы протофиламентов достигли бусинки, она испытала краткий рывок, который был зафиксирован с помощью квадрантного детектора (рис.4).

Рисунок 4 - Вид получаемых данных

Эти эксперименты подтвердили искривление протофиламентов на конце сокращающейся микротрубочки и позволили измерить силу, развиваемую протофиламентами. В ходе деполимеризации микротрубочки развивают силы, достаточные для движения хромосом. Измеренная сила равна 30--60 пН на одну микротрубочку .

Микротрубочки являются эффективными двигателями: они превращают в работу по перемещению шарика 80--90% энергии, потраченной на ее создание.