1
Przyczyny różnicowania się
organizmów tkankowych
1
Przyczyny różnicowania się
organizmów tkankowych
2
Co to jest
różnicowanie?
Różnicowanie to występowanie w komórkach
zmian, które doprowadzają do ujawnienia się
wąskich biologicznych funkcji komórki, czyli do
jej specjalizacji tj. stanu, w którym komórka
rozpoczyna i prowadzi syntezę określonych
substancji chemicznych, czasem przez nią
magazynowanych.
3
Cechy różnicowania
charakteryzuje wszystkie organizmy żywe
jest to proces nieodwracalny i dziedziczny
zachodzi w czasie całego życia człowieka
4
różnicowanie pierwotne
zachodzi w najwcześniejszych fazach rozwoju
embrionalnego
różnicowanie pośrednie
zachodzi w późniejszych fazach rozwoju embrionalnego
różnicowanie terminalne (końcowe)
zachodzi się w życiu postembrionalnym
Rodzaje różnicowania
ze względu na potencję różnicujących się
komórek
5
Komórka
jajowa
Plemnik
Ektoderm
a
Mezoderm
a
Endoderm
a
Bezpośrednie
i pośrednie
oddziaływanie
między
komórka
mi
Potencja
rozwojow
a
omnipotencj
a
multipotenc
ja
pluripotencj
a
unipotencja
Różnicowan
ie :
pierwotne
pośrednie
końcowe
6
Etapy
różnicowania
biochemiczne
komórkowe (cytodyferencjacja)
tkankowe
funkcjonalne
7
Różnicowanie biochemiczne
zmiany zachodzące w komórce mają
charakter zmian biochemicznych.
Komórka uruchamia odpowiednie
reakcje biochemiczne, w wyniku
których powstają nowe enzymy. Enzymy
w obecności odpowiednich substratów
katalizują reakcje syntezy określonych
substancji decydujących o
różnicowaniu.
8
Różnicowanie komórkowe
Zmiany zachodzące w komórce dotyczą
jej budowy. Zmiany biochemiczne
pociągają za sobą zmiany w budowie
komórki. W ten sposób komórki
przystosowują się do sprawniejszego
wykonywania pracy chemicznej
określającej specjalizację.
9
Różnicowanie tkankowe
i funkcjonalne
Różnicowanie tkankowe
zmiany w budowie całego zespołu komórek
podlegającego różnicowaniu
Różnicowanie funkcjonalne
dostosowanie zespołu komórek do
wykonywania w sposób stały
określonej funkcji
10
Zmiany struktury komórki
w czasie różnicowania
mała ilość błon
cytoplazmatycznych
niewielka liczba
rybosomów i
mitochondriów
siateczka
śródplazmatyczna złożona
z nielicznych, luźno
ułożonych w cytoplazmie,
niewielkich pęcherzyków
luźna ułożona chromatyna
jądra komórki
jedno lub kilka jąderek
rozbudowana siateczka
śródplazmatyczna
duża liczba rybosomów
duża liczba mitochondriów
rozbudowa lizosomów i
układu Golgiego
bardziej zwarta struktura
jądra komórkowego
pojawienie się elementów
metaplazmatycznych np.
miofibryli, neurofibryli,
ciałek podstawowych
Komórka
niezróżnicowana
Komórka
zróżnicowana
11
Predetermin
acja
Porównanie dwubocznej symetrii cytoplazmy
zapłodnionej komórki jajowej z taką samą
symetrią zarodka wykazuje, że określone
okolice zarodka wywodzą się z określonych,
zawsze tych samych, części cytoplazmy komórki
jajowej. Stan taki nosi nazwę predeterminacji.
Główne procesy, w wyniku których powstają różnorodne
komórki, zachodzą w czasie rozwoju zarodkowego. Już w
cytoplazmie nie zapłodnionej komórki jajowej płazów
dostrzega się niejednorodne ułożenie składników.
12
Potencja komórek
podczas
różnicowania
Komórki omnipotencjalne:
występują we wczesnych stadiach rozwoju zarodkowego
mogą rozwijać się w dowolny rodzaj komórek organizmu
Schemat doświadczenia
dowodzącego istnienia omnipotencji
komórek wczesnych stadiów rozwoju
zarodkowego. Rozdzielenie dwóch
blastomerów cienką nitką (z lewej)
doprowadza do wykształcenia dwóch
prawidłowych zarodków (z prawej).
13
Determinacja
Omnipotencja komórek zanika podczas gastrulacji. W tym
stadium rozwoju zarodkowego zachodzą procesy przesądzające
o losie poszczególnych grup komórek zwane determinacją.
Jest to pierwotne różnicowanie nadające komórkom
zdeterminowany, określony kierunek dalszego rozwoju.
Schemat doświadczenia
pokazującego okres rozwoju
zarodkowego, w którym
następuje determinacja.
14
Mechanizmy
różnicowania
zmiany zachodzące we wnętrzu różnicującej się komórki
dotyczą jądra i cytoplazmy oraz ich wzajemnych
oddziaływań
wzajemne oddziaływanie na siebie:
komórek sąsiadujących ze sobą
jednych tkanek na inne tkanki
narządów lub układów na odległe części organizmu
15
0ddziaływania między komórkami w
procesie różnicowania
16
Udział jądra w procesie
różnicowania
eliminacja chromosomów
występuje u bezkręgowców (stawonogów)
podczas różnicowania komórek somatycznych większość
chromosomów
zanika (pełny zespół chromosomów zachowują
tylko komórki płciowe)
zmiana potencji genomu
występuje u zwierząt wyższych, a także u człowieka
polega na uczynnianiu (represji) jednych i blokowaniu
(derepresji) innych genów. (Nieczynne geny, stanowiące
około 80%, są zablokowane białkami, głównie zasadowymi -
histony, protaminy)
powielanie genów
Niektóre geny powielane są wielokrotnie, inne kilkakrotnie.
(Występują także geny pojedyncze, nie skopiowane).
17
Udział cytoplazmy w
procesie różnicowania
wpływ na aktywność genetyczną chromosomów
►
Potwierdza go doświadczenie polegające na przemieszczaniu chromosomów w
cytoplazmie w wyniku poddania komórek somatycznych Ascaris
megalocephala wirowaniu. Po przemieszczeniu chromosomy nie zanikają,
cytoplazma nie wywiera na nich destruktywnego wpływu. Dowodem na to są
także doświadczenia przeszczepiania chromosomów komórek ślinianki muszki
ochotki.
kontrolowanie procesu translacji
W procesie różnicowania zachodzi dwukierunkowe
oddziaływanie jądra
na cytoplazmę i cytoplazmy na jądro.
18
Pozagenetyczne przyczyny
różnicowania
Występują u zwierząt jednokomórkowych
np. u pantofelka
W procesie utrwalania i dziedziczenia
sztucznie wywołanej cechy (dodatkowy otwór
gębowy, zmiana kierunku ułożenia rzęsek ) nie
bierze udziału genom komórki
W czasie wzrostu nowych pokoleń
pierwotniaka nowo powstające struktury
komórki formowane są przestrzennie na
matrycy przez struktury już istniejące.
Zjawisko to nazywamy cytotaksją.
19
Rodzaje oddziaływania
komórek
w czasie różnicowania:
heterotypowe
komórki różnią się pochodzeniem, budową i
funkcjami
homotypowe
komórki są podobne do siebie lub identyczne
W czasie różnicowania w pierwszej kolejności zachodzi
oddziaływanie heterotypowe, po którym następuje okres
spoczynku, a następnie w wyniku oddziaływania
homotypowego dochodzi do nieodwracalnego
różnicowania.
20
Embriogeneza
Komórki
niezróżnicowane
Komórki zróżnicowane
(możliwa modulacja)
Indukcja
heterotypowa
Indukcja homotypowa
Kolejność występowania indukcji
w czasie rozwoju embrionalnego
21
Oddziaływanie
heterotypowe
W procesie indukcji występują dwa układy
komórek:
układ działający (indukujący, induktor,
organizator)
reagujący (indukowany)
Oddziaływanie na siebie różnych komórek za
pośrednictwem bodźców chemicznych nosi
nazwę indukcji.
22
Rodzaje indukcji
Płodowa
zachodzi w życiu płodowym
a)
pierwotna
b)
wtórna
Pozapłodowa
zachodzi w tkankach organizmu dorosłego
człowieka
23
Indukcja
płodowa
Pierwotna
występuje we wczesnych stadiach rozwoju zarodkowego
dotyczy komórek niezróżnicowanych
(omnipotencjalnych)
Przykładem takiej indukcji jest neuralizacja, czyli wytwarzanie
płytki nerwowej (zawiązka układu nerwowego) u płazów.
Wtórna
dotyczy częściowo zróżnicowanych, zdeterminowanych
komórek
Przykładem takiej indukcji jest może być rozwój soczewki oka.
24
Indukcja pozapłodowa
dotyczy komórek niezróżnicowanych (polipotencjalnych),
które mogą różnicować się w inne bardziej
wyspecjalizowane komórki
przypomina indukcję płodową wtórną, ponieważ komórki
polipotencjalne są zdeterminowane, tzn. że mogą z nich
powstawać tylko komórki określonych tkanek
Przykładem takiej indukcji jest działanie erytropoetyny na
różnicowanie zdeterminowanych, ale polipotencjalnych
komórek siateczki szpiku w proerytroblasty.
25
Kompetencj
a
Rodzaje kompetencji
a)
pierwotna
dotyczy reaktywności komórek omnipotencjalnych
b)
wtórna
dotyczy możliwości dalszego różnicowania komórek
zdeterminowanych
Kompetencja to funkcjonalny stan komórek układu
reagującego, pozwalający im różnicować się w
określonym kierunku pod wpływem układu
działającego.
26
Oddziaływanie
homotypowe
Wzajemne przyleganie identycznych
komórek do siebie może mieć postać:
„wybiórczego zatrzymywania”
zahamowanie kontaktowe
agregacja komórek
„
wybiórczego naprowadzania”
27
„Wybiórcze
zatrzymywanie”
zahamowanie kontaktowe
Komórki wykonujące bezładne i przypadkowe ruchy spotykają
się przypadkowo. W wyniku zetknięcia się ich powierzchni
ruch komórek zostaje zatrzymany, komórki zaczynają
przylegać do siebie ze wzrastającą siłą.
agregacja komórek
W wyniku zmieszania kilku rodzajów komórek zaczynają one
do siebie przylegać tworząc agregaty. Po pewnym czasie
identyczne komórki „odnajdują się” w agregacie i łączą się ze
sobą w sposób trwały (segregacja komórek).
Przykładem segregacji komórek występujących w rozwoju
płodowym jest powstawanie określonych części tworzących się
narządów np. różnicowanie się nerki.
28
„
Wybiórcze
naprowadzanie”
swoista odmiana ruchu komórek, którego
kierunek i zasięg są ściśle określone przez podłoże
ma szczególnie duże znaczenie dla różnicowania
komórek w rozwoju zarodkowym i płodowym
Przykładem takiego ruchu może być wędrówka komórek
praserca, które z kilku punktów płodu wędrują do miejsca
wykształcenia serca.
29
Tworzenie endospor
bakteryjnych
-najprostszy model różnicowania
komórkowego
W przypadku niesprzyjających warunków środowiska
bakterie
Bacillus subtilis
wytwarzają endospory, tj. spory
rozwijające się we wnętrzu komórki, różniące się od
komórek wegetatywnych pod względem morfologicznym i
biochemicznym. Podczas przekształcania komórki
wegetatywnej w endosporę zachodzą procesy transkrypcji i
translacji genów „nieczynnych” w komórce wegetatywnej.
Komórki wytwarzające spory ulegają lizie po zakończeniu
procesu sporulacji i dojrzała spora zostaje uwolniona.
Zmiany biochemiczne polegają na syntezie enzymów i innych
białek koniecznych do rozwoju endospory. Należą do nich;
proteinaza serynowa
białko osłonki
ligaza diaminopimelinianowa
materiał warstwy korowej spory
30
Różnicowanie w
rozwoju
Dictyostelium discoideum
W warunkach głodu komórki Dictyostelium discoideum agregują i
przekształcają się w spory lub w komórki trzonka, tworząc tzw.
ciało owocujące. Stadium agregacji w cyklu rozwojowym tego
organizmu odpowiada przejściu populacji pojedynczych komórek
w strukturę organizmu wielokomórkowego, o zróżnicowanych
funkcjach.
Podczas agregacji:
wzrasta stężenie cyklicznego cAMP, po jej zakończeniu znacznie spada
następuje aktywacja określonych genów
następuje spadek zawartości RNA i białka w komórkach ciała
owocującego w wyniku wykorzystywania endogennych zapasów
energetycznych
znacznie obniża się zawartość polirybosomów
zmienia się skład cukrów
wzrasta aktywność enzymów metabolizmu aminokwasów i cukrowców
31
Kiełkowanie
nasion
Podczas tego procesu zachodzą zmiany:
morfologiczne
zarodek przekształca się w kiełek
fizjologiczne
ulegają wznowieniu procesy metaboliczne i
wzrostowe zahamowane w czasie spoczynku nasion
biochemiczne
następujące po sobie procesy utleniania i syntez,
warunkujące proces różnicowania wskutek
wznowienia transkrypcji określonych odcinków
aparatu genetycznego
32
Czynniki
wpływające
na kiełkowanie
nasion
fitochrom
reguluje proces transkrypcji określonych genów (wg Mohra)
powoduje zmianę przepuszczalności błon komórkowych (wg
Hendricksa
i Borthwicka)
etylen
wykazuje działanie stymulujące
hormony roślinne:
gibereliny
wpływają na proces transkrypcji
cytokininy
wywołują zmiany szybkości translacji
auksyny
wpływają na przepuszczalność błon komórkowych
33
Różnicowanie u
zwierząt
Badania najczęściej prowadzi się na szkarłupniach i płazach.
Jaja tych zwierząt są łatwe w zapładnianiu i obserwacji
poszczególnych stadiów rozwojowych. Obserwacja rozwoju
embrionalnego ptaków i ssaków jest trudniejsza, ponieważ
proces ten zachodzi w jaju otoczonym skorupą lub w
organizmie samicy.
Rozwój jeżowca
Podział komórki jajowej jeżowca po zapłodnieniu
warunkują białka (histony) syntetyzowane w tym okresie.
34
Różnicowanie
owadów
Rozwój owadów
Na przeobrażenie
niezupełne i zupełne
owadów wpływają
hormony:
ekdyzon (powoduje
linienie owadów)
hormon juwenilny–
wpływa na
powstawanie nowej
kutykuli
35
Różnicowanie u kręgowców
Zapłodnienie
połączenie plemnika z komórką jajową
Bruzdkowanie
zarodek na skutek wielokrotnych podziałów mitotycznych
z jednokomórkowego zmienia się w
wielokomórkowy
Gastrulacja
wytworzenie trzech listków zarodkowych: ektodermy,
endodermy i mezodermy
Organogeneza
różnicowanie się narządów
36
Bruzdkowan
ie
37
Gastrulac
ja
38
Organizmy
jednokomórkowe
Wszystkie organizmy żywe, zarówno roślinne jak i
zwierzęce zbudowane są z komórek (wyjątek stanowią
wirusy).
Komórki organizmów jednokomórkowych spełniają
wszystkie niezbędne funkcje życiowe. Każda komórka
powstaje tylko i wyłącznie przez podział innej komórki.
39
Organizmy
kolonijne
Komórki niektórych organizmów, chociaż zdolne do
samodzielnego życia:
łączą się tworząc kolonie w celu łatwiejszego zdobycia soli
mineralnych i światła (np.sinice, skrętnica)
nie odłączają się od komórek macierzystych po:
po pączkowaniu (np.drożdże)
po podziale komórki (np.bakterie)
40
Organizmy
kolonijne
wyżej uorganizowane
W kolonii wyżej uorganizowanej może występować
pewne zróżnicowanie w budowie i funkcjach komórek
(np. toczek)
Glon ten posiada komórki wegetatywne, które
intensywniej przeprowadzają proces fotosyntezy oraz
komórki mające zdolność do rozmnażania.
41
Prymitywne
wielokomórkowce
Większość organizmów żywych to organizmy
wielokomórkowe. Ich komórki są podstawowymi
jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi, a
działalność organizmu jako całości jest wypadkową
współdziałania wszystkich jego komórek.
Do prymitywnych wielokomórkowców zaliczamy na
przykład:
plechę morszczynu
grzybnię kropidlaka
ciało stułbi
42
Komórczaki i prymitywne
tkankowce
Ciekawym przykładem w świecie organizmów żywych jest:
pleśniak, którego ciało zbudowane z jednej komórki
posiada wiele jąder (powstało w wyniku licznych
podziałów jądra przy jednoczesnym braku podziałów
ściany komórkowej)
koralowce, które jako prymitywne tkankowce łączą się
ze sobą tworząc wysoko zorganizowaną kolonię-rafy
koralowe
43
Organizmy
wielokomórkowe
Organizm wielokomórkowy powstaje w wyniku
wielokrotnych podziałów jednej komórki, np.
zapłodnionej komórki jajowej lub zarodnika.
W przypadku wyżej uorganizowanych roślin czy
zwierząt podziałom takim towarzyszy różnicowanie lub
specjalizowanie komórek, tj. przystosowanie ich
budowy do określonych czynności. Takie
wyspecjalizowane komórki powstają w organizmie
grupami, warstwami lub wiązkami tworząc tkanki.
Poszczególne organy roślin i narządy zwierząt
zbudowane są z tkanek.
44
Tkanki
roślinne
okrywająca
wzmacniająca
przewodząca
wydzielnicza
45
Tkanki
zwierzęce
nabłonkowa
mięśniowa
nerwowa
łączna
46
Środowisko jako przyczyna
różnicowania
Główną przyczyną różnicowania się organizmów
tkankowych jest ich środowisko życia. Powszechnie
uważa się , że życie powstało w środowisku wodnym, a
lądowe rośliny i zwierzęta pochodzą od swych wodnych
przodków.
Drzewo rodowe grzybów, protistów i roślin
47
Środowisko jako przyczyna
różnicowania -zwierzęta
Drzewo rodowe
bezkręgowców
Drzewo rodowe
kręgowców
48
Środowisko
wodne
Rośliny wodne mogą utrzymywać się przy życiu
bez wielu specjalnych przystosowań
strukturalnych, spotykanych u roślin lądowych.
Otaczająca woda:
zaopatruje je w składniki pokarmowe
zabezpiecza komórki przed wysychaniem
podtrzymuje ciało roślin na swej powierzchni lub w
głębi
stanowi dogodne środowisko dla spotykania się gamet
przy rozmnażaniu płciowym i rozprzestrzeniania się
spor przy rozmnażaniu bezpłciowym
49
Środowisko lądowe -
przystosowanie roślin
Porzuciwszy sprzyjające środowisko wodne rośliny musiały
się przystosować do życia na lądzie przez wytworzenie
wielu nowych struktur umożliwiających im przyjęcie
licznych funkcji spełnianych przedtem przez wodę. Należą
do nich:
kutikula, tj. woskowa warstwa ochronna, pokrywająca miękkie
uwodnione tkanki
liście znajdujące się w powietrzu i umożliwiające pochłanianie światła
oraz przeprowadzanie fotosyntezy
korzenie wrastające w glebę, przytwierdzające roślinę do podłoża i
pobierające wodę oraz sole mineralne
łodygi podtrzymujące liście w pozycji najbardziej sprzyjającej absorpcji
światła i umożliwiające łączność oraz dwukierunkowy ruch substancji
w tkankach przewodzących
organy rozmnażania, dzięki którym gamety żeńskie i męskie mogą się
łączyć poza środowiskiem wodnym, a zygota może zacząć się rozwijać
nie będąc narażona na wysychanie
50
Środowisko lądowe –
przystosowanie zwierząt
Zwierzęta, podobnie jak rośliny, musiały
przystosować się do życia na lądzie. Do
najważniejszych zadań należała:
ochrona przed wyschnięciem
uniezależnienie rozmnażania od wody
wytworzenie szkieletu wewnętrznego lub
zewnętrznego
przystosowanie do większych wahań temperatury
Niektóre rośliny i zwierzęta wtórnie
przystosowały się do środowiska wodnego.
51
Tryb życia jako przyczyna
różnicowania
Istotny wpływ na różnicowanie się
organizmów tkankowych ma tryb życia, jaki
prowadzą zwierzęta (wolno żyjący, osiadły,
pasożytniczy). Następuje specjalizacja lub
uwstecznienie niektórych narządów.
52
Koniec
