Сущность клеточного цикла

Клеточный цикл.

Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание ее жизненного цикла (клеточного цикла). Клеточный цикл- это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл-комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологически событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Митотический цикл включает в себя митоз ,а также период покоя (G0), постмитотический (G1), синтетический (S) и предмитотический(G2) периоды интерфазы.

Интерфаза (периоды и процессы, проходящие здесь).

Интерфаза – это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки. Совокупность интерфазных хромосом представляет собой хроматин. В состав хроматина входят: ДНК, белки и РНК в соотношении 1 : 1,3 : 0,2, а также неорганические ионы. Структура хроматина изменчива и зависит от состояния клетки.

Период покоя клетки (G0)- в период покоя судьба клетки не известна: она либо может начать подготовку к делению, либо погибнуть.

Постмитотический период (G1). Фаза G1 – это основное рабочее состояние клетки. В этом состоянии идет транскрипция и трансляция, восстановление объема и внутреннего содержания клетки,идет размножение пластид и митохондрий.

Синтетический период (S1) – это период, когда ДНК в ядре удваивается. Репликация ДНК начинается во многих, однако строго определенных, местах, причем где-то раньше, где-то позже; тем не менее, к концу S-фазы каждая молекула ДНК удваивается полностью. В S-фазе в клетке активно синтезируются гистоны и прочие белки хроматина.

Среди белков хроматина имеется очень малая по количеству, но очень разнообразная и важная часть – специфические генные регуляторы (это те белковые репрессоры и активаторы, которые включают и выключают гены). Генов – десятки тысяч. Регуляторов меньше, так как каждый включает или выключает многие гены – иначе мы имели бы свой регулятор на каждый ген и впали бы в порочный круг. Важно подчеркнуть, что каждая клетка многоклеточного организма несет в себе все гены, присущие этому организму, но в каждой конкретной клетке работает только малая часть генов, тогда как остальные нужны в других типах клеток или в другие периоды жизни. Гены включаются и выключаются по мере необходимости, но при делении клеток определенного типа важно, чтобы включенные и выключенные состояния генов, характерные для данного типа, в целом были унаследованы. При репликации ДНК удваивается, и надо, чтобы регуляторные белки не только были дополнительно синтезированы в таком же количестве, которое было исходно, но и сели на свои места. Это достигается за счет кооперативного эффекта, который проявляют регуляторные белки, – наличие молекулы регуляторного белка, связанной с ДНК, провоцирует в своей непосредственной близости связывание такого же белка с таким же регуляторным сайтом вновь синтезированной ДНК. Об этом феномене принято говорить как об эпигенетическом наследовании состояния гена.

И в то же время репликация – это именно тот критический момент, когда многие гены выключаются или включаются в ходе индивидуального развития. В течение периода G1 среди других белков могут быть синтезированы новые регуляторы, и во время S перода они могут успешно конкурировать со старыми за вновь синтезированные регуляторные области ДНК. Или, наоборот, бывают недосинтезированы старые регуляторы, в результате созданные заново регуляторные области ДНК оказываются не занятыми или занятыми регуляторами, сродство которых к ним меньше. Кроме того, каждый белок-регулятор в моменты репликации ДНК вынужден конкурировать за те участки вновь синтезируемой ДНК, к которым он специфичен, с таким неспецифическим репрессором генной активности, как линкерный гистон Н1 (это тот гистон, который связывается с ДНК после того, как остальные гистоны образовали бусы из нуклеосом, и укладывает их в фибриллу диаметром 30 нм). Так, за счет некоторых изменений в присутствии регуляторов на регуляторных последовательностях ДНК тех или иных генов, в ходе индивидуального развития многоклеточного организма клетки и приобретают новые свойства.

Наконец, в клетке есть еще одна структура, удваивающаяся именно в S-периоде. Это центросома. В периоде G1 центросома выглядит так:

аморфное образование, внутри него находятся две расположенные перпендикулярно друг другу центриоли (но у растений центриолей нет). Центросома является местом, откуда формируется такой элемент цитоскелета, как микротрубочки. В интерфазе миркотрубочки растут от центросомы по направлению ко всей клеточной периферии. Некоторые из них становятся нестабильными и быстро разбираются на отдельные молекулы тубулина. В конце периода G1 центриоли расходятся на несколько микрон. А в S-периоде рядом с каждой центриолью строится вторая центриоль, и центросома удваивается.

Предмитотический период (G2) – подготовка к делению. На данной стадии нарабатываются определенные белки. В это время завершается формирование двух центросом, а система интерфазных микротрубочек начинает разрушаться, высвобождая тубулин, из которого микротрубочки состоят. Хромосомы в это время уже начинают дополнительно конденсироваться.Клетка готова к делению.

Cобственно митоз.

Митоз-способ деления ядра,которое приводит к образованию двух дочерних клеток,в каждой из которых имеется точно такой же набор хромосом что и в родительских клетках. Собственно митоз также делится на несколько стадий. Митоз наступает при появлении в клетке специального митоз-стимулирующего фактора, который не может возникнуть, пока в клетке не закончилась репликация ДНК и другие подготовительные процессы. Под действием этого фактора запускается каскад фосфорилирования множества белков. В фосфорилированном состоянии они начинают активно функционировать. Один из наиболее интенсивно фосфорилируемых белков (до 6 фосфатных групп на молекулу) – это гистон Н1. При этом он теряет в сродстве с ДНК (так как его положительный заряд частично компенсируется отрицательно заряженными фосфатными группами), и с ней связываются другие белки, специфичные именно для митоза, что приводит к гораздо более плотной упаковке хромосом, чем в интерфазе. Еще один белок, который фосфорилируется в том же каскаде, запускающем митоз - когезин. В нефосфорилированном состоянии он соединяет вместе две сестринские хроматиды, образовавшиеся в результате репликации ДНК в S-фазе, образуя своего рода кольца вокруг пары хроматид. Фосфорилирование когезина в начале мейоза приводит к раскрытию колец и рассоедниению сестринских хроматид, за исключением центромеры,. Имеется механизм, который в этом районе снова фосфорилирует когезин, так что именно здесь сестринские хроматиды остаются соединенными друг с другом.

Первая стадия митоза – профаза. Главное, что происходит в профазе, – дополнительная упаковка (конденсация) хромосом. В такой степени, что они становятся похожими сначала на спутанные нити, видимые в световой микроскоп.

В профазе происходят важные события и в цитоплазме. Имевшиеся в клетке микротрубочки деполимеризуются. При этом клетка как правило теряет свою специфическую форму и округляется. Вокруг центросом образуется так называемая звезда – система из радиально расходящихся микротрубочек, которые постепенно удлиняются. Микротрубочки в процессе митоза начинают обновляться в 20 раз быстрее, чем в интерфазе, и небольшому числу длинных микротрубочек приходит на смену множество коротких. Интенсивная сборка и разборка микротрубочек необходима для правильного течения митоза.

Когда микротрубочки двух звезд достигают друг друга, центросомы начинают расходиться к разным концам клетки и становятся ее полюсами, а сами микротрубочки формируют веретено деления. Дело в том, что многие микротрубочки, исходящие от разных полюсов навстречу друг другу, соединяются друг с другом определенными белками, которые стабилизируют их и предотвращают от деполимеризации.

Затем наступает прометафаза, которая знаменуется важнейшим событием – ядерная мембрана дефрагментируется на пузырьки и ядро исчезает как структура. При этом происходит деполимеризация ламины ядерного скелета, состоящего из филаментов определенных белков, подстилающих ядерную мембрану.Этот процесс также связан с фосфорилированием этих белков. Содержимое ядра объединяется с цитоплазмой. Тем самым восстанавливается состояние, похожее на прокариотическое, при котором ДНК находится в том же компартменте, что и рибосомы. Во время деления ядро исчезает. Это, по-видимому, указывает на то, что ядро – это временная рабочая структура, призванная разобщить тарнскрипцию и трансляцию, хотя бы ценой существенных энергетических затрат на ядерный транспорт и на то, чтобы от него, ядра, избавляться при всяком делении клетки и восстанавливать после него.

В прометафазе хромосомы конденсируются окончательно и принимают вид парных образований, напоминающих двойные палочки или червяков, причем каждая пара соединяется в месте своего рода перетяжки – это называется метафазные хромосомы.

(Теломера – это конец хромосомы, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов. Вторичная перетяжка соответствует ядрышку – это место, где находятся гены рРНК – оно не конденсируется в той же степени, что и остальная хромосома. Спутник – это участок «нормальной» хромосомы за вторичной перетяжкой. Вторичная перетяжка и соответственно спутник есть далеко не на всех хромосомах, поэтому они помогают их идентифицировать.)

Метафазная хромосома – это хромосома в нерабочем состоянии, упакованная для деления. В рабочем состоянии, т. е. в интерфазе, хромосома представляет собой кисель, заваренный вокруг линейной молекулы ДНК, и ее не увидишь под микроскопом.

Метафазная хромосома – двойная. Две ее протяженные составляющие соответствуют двум линейным молекулам ДНК, образовавшимся при репликации. Они называются сестринские хроматиды.

Место соединения хроматид называется центромера. Она удваивается позже остальной ДНК, но в метафазной хромосоме центромера, так же как и вся хромосома, состоит из двух хроматид, только в этом месте соединенных определенными белками. Местоположение центромеры на молекуле ДНК (хромосоме) определяется, как и все вообще на ней, – специфической первичной структурой. Центромера содержит определенные последовательности, многократно повторенные голова к хвосту. Это тандемные повторы. Их много на хромосоме, они разные, некоторые из них обладают способностью служить центром организации центромеры, причем структура центромерных повторов может быть разной у разных видов и даже у разных хромосом одного вида.

В прометафазе происходит следующее. На центромере каждой из хроматид формируется определенная структура, называемая кинетохор (см. рис. ниже). Он состоит, как вы, наверное, догадались, из определенных белков. Подчеркнем, что каждая хромосома несет два кинетохора, по одному – на каждую из своих хроматид. Каждый кинетохор связывается с растущими концами микротрубочек, отходящих от полюсов клетки. К каждому кинетохору прикрепляется несколько десятков микротрубочек (но вот у дрожжей – только одна).

При этом кинетохоры разных хроматид одной хромосомы связываются с микротрубочками, отходящими от разных полюсов. В прометафазе хромосомы, как правило, активно блуждают по цитоплазме. Поначалу оба кинетохора могут связываться с микротрубочками одного полюса, однако вскоре происходит определенная перестройка контактов кинетохора с микротрубочками, так что центромера одной хроматиды оказывается связанной с микротрубочками, идущими только от одного из полюсов веретена деления.

В прометафазе микротрубочки активно растут, и именно с того конца, который прикреплен к кинетохору. В метафазе этот рост компенсируется деполимеризацией концов микротрубочек у центросомы, так что молекулы тубулина постепенно перемещаются от концов к полюсам, а микротрубочка остается натянутой и сохраняет постоянную длину.

Контакт кинетохора с микротрубочками уникален. Во первых, он стабилизирует микротрубочку, так что связанные с хромосомами микротрубочки не подвержены самопроизвольной тотальной деполимеризации. К концу митоза концы трубочек, присоединенных к кинетохору, начинают активно разбираться. И при этом тот же самый активный конец, растущий либо разрушающийся, остается прочно связанным с кинетохором, который, по-видимому, присоединяет микротрубочки сбоку, но непременно вблизи конца, представляя собой нечто вроде скользящего ошейника.

В прометафазе хромосомы, ведомые микротрубочками, осуществляют сложный танец, но к наступлению следующей стадии – метафазы – все хромосомы располагаются в экваториальной плоскости (плоскость, находящаяся строго между центросомами и перпендикулярная веретену). Это достигается вследствие того, что, как показали опыты, на этой стадии микротрубочки, несмотря на активный обмен тубулина на присоединенных к кинетохору концах, тянут хромосомы на себя. Причем сила тяготения пропорциональна длине микротрубочки, т. е. они функционируют как пружины. Эти силы уравниваются, когда микротрубочки, идущие от разных полюсов, оказываются одинаковой длины.

В метафазе все процессы в клетке как бы замирают, выстроившиеся в метафазных пластинках хромосомы совершают только колебательные движения. По-видимому, это делается для того, чтобы дождаться хромосом, которые могли бы отстать по разным причинам и обеспечить одновременный старт .

Следующая стадия – анафаза – наступает с внезапного и одновременного отделения центромер двух хроматид друг от друга. Это происходит в ответ на стремительное десятикратное увеличение концентрации ионов кальция в клетке. Они выделяются из мембранных пузырьков, окружающих клеточный центр. Повышенная концентрация кальция активирует определенный фермент, который разрезает когезиновые кольца, еще остающиеся в центромере и соединяющие сестринские хроматиды, так что они отделяются друг от друга наконец и здесь. Ведомые притяжением микротрубочек через кинетохоры, хромосомы немедленно начинают расходиться к полюсам клетки – каждая из двух сестринских хроматид к своему полюсу.

Движение хромосом в анафазе происходит за счет двух процессов разного рода. Во-первых, начинается деполимеризация микротрубочек, связанных с кинетохорами .Это вызвано исчезновением натяжения микротрубочек, стабилизирует конец микротрубочки.

Однако до сих пор не совсем понятно, что именно заставляет кинетохор двигаться – его сродство с концом полимеризованной микротрубочкой, так что он вынужден продвигаться по мере его разборки, либо же он сам активно «проедает» микротрубочку – движется по ней и способствует ее деполимеризации. Есть также точка зрения, что микротрубочка – это только рельсы, но не двигатель, а хромосома движется под действием каких-то белков, не связанных с микротрубочкой (однако это не актин и миозин). Существуют даже модели, что хромосома движется на волне локального разжижения цитоплазмы, связанной опять-таки с полимеризацией и деполимеризацией неких белков. Кроме того, в анафазе продолжается и даже ускоряется деполимеризация микротрубочек у полюсов, что вносит вклад в их быстрое укорочение.

Во-вторых, сами центросомы в стадии анафазы расходятся друг от друга, иногда довольно значительно. Это опять-таки происходит под действием нескольких процессов. Микротрубочки, идущие от разных полюсов и прикрепленные не к кинетохорам, а друг к другу, в метафазе не укорачиваются, а, наоборот, нарастают и удлиняются. Они, по-видимому, способны активно отталкиваться друг от друга под действием каких-то специальных белков, родственных тем, которые движут жгутики, построенные на основе микротрубочек. Наконец, микротрубочки звезды, отходящие от центросом в разные стороны и связавшиеся с цитоскелетом кортикальной области вблизи центросомы, сокращаются в длине, подтягивая центросомы на себя, по тем же механизмам, которые притягивают хромосомы.

На следующей стадии – телофазе – около хромосом, собравшихся вокруг каждой центросомы, начинает образовываться новая ядерная оболочка. Двойная мембрана возрождается из пузырьков, белки ядерной ламины дефосфорилируются и снова формируют этот скелет, ядерные поры снова собираются из составных частей.

Итак, суть рассмотренных нами стадий митоза состоит в удвоении ядра. Это удвоение начинается со скрытого от глаз удвоения хромосом в интерфазе, а продолжается через его саморазрушение как структуры в ходе митоза. Когда ядро удвоилось, необходимо разделить цитоплазму – осуществить цитокинез.

У животных разделение происходит за счет образования перетяжки между двумя клетками. Сначала на поверхности клетки возникает борозда, под ней формируется так называемое сократимое кольцо. Она образуется из актиновых филаментов кортекса (компонентов цитоскелета, находящихся под клеточной мембраной). Кольцо действительно сокращается. Это происходит за счет взаимодействия актина микрофиламентов с миозином. Эти же два белка участвуют в мышечном сокращении.

Расположение первичной борозды и сократимого кольца определяется расположением веретена деления. По мере сокращения кольца клетка разделяется перетяжкой на две, которые в конце концов разделяются, вдобавок оставляя еще небольшое остаточное тельце – связанные друг с другом фрагменты встречных микротрубочек веретена, располагавшиеся первоначально в экваториальной плоскости.