21. Жизненный цикл клетки

Клеточный цикл – это жизнь клетки от одного деления до другого или до смерти. У одноклеточных животных совпадает с жизнью особи, как и у нейронов. В непрерывно размножающихся клетках совпадает с митотическим циклом.

Ж изненный цикл состоит из двух фаз – собственно деления клетки и промежутка между делениями – интерфазы. На интерфазу падает до 90% продолжительности клеточного цикла. В свою очередь митоз и интерфаза подразделяются на ряд периодов. Ключевой стадией интерфазы, после которой возможно деление клеток, называется синтетическим периодом (S-период) – промежуток времени, когда удваивается ДНК ядра. (Интересно отметить, что удвоение ДНК митохондрий и хлоропластов может и не совпадать с S-периодом – оно происходит независимо от ядра). В большинстве случаев между предыдущим делением и началом S-периода существует промежуток времени G₁-период (от англ. слова gap – промежуток, пауза) – постмитотический (пресинтетический) период. В это время происходит активный рост и функционирование клетки, обусловленные довольно интенсивным синтезом РНК, возобновлением транскрипции и накоплением синтезированных белков, а также подготовка к синтезу ДНК. В S-период происходит удвоение ДНК через удвоение числа хроматид. В G₂-период (премитотический, постсинтетический) происходит подготовка к делению клетки, в том числе синтез белков веретена деления. В середине G₂-периода синтез РНК достигает максимальной интенсивности. Во время митоза синтез РНК прекращается полностью, а синтез белка составляет не более ¼ от интерфазного уровня. Установлено, что для прохождения клеткой цикла необходимо последовательное включение определенных генов. Синтез белков, обеспечивающих каждую стадию цикла, осуществляется чаще всего заранее.

n – количество хромосом; c – количество ДНК.

Митоз начинается с конденсации хромосом, в интерфазе можно лишь наблюдать распределенный материал хромосом – хроматин. Параллельно начинает формироваться митотический аппарат (ахроматиновая фигура). Центриоли клеточного центра реплицируются и расходятся к противоположным полюсам. Формируется веретено деления. Ядрышки (меcта синтеза рибосом) исчезают. Это происходит в профазе. В поздней профазе ядерная оболочка разрушена. В метафазе хромосомы перемещаются на экватор клетки. К кинетохорам прикрепляются нити веретена. Хроматиды разъединяются, оставаясь связанными в области центромер. Максимальная конденсация. На стадии анафазы хроматиды (сестринские хромосомы) полностью разъединяются и расходятся к противоположным полюсам. В телофазе деспирализация хромосом, формируется ядерная оболочка, митотический аппарат разрушается и происходит цитокинез.

Деление клеток может происходить и с помощью амитоза без формирования митотического аппарата путем перешнуровывания клетки. Например, у растений в клетках эндосперма или паренхиме клубней, а у животных в мочевом пузыре. В нервной, мышечной ткани, например, клетки вообще не делятся. Существуют группы клеток (# стволовые), которые постоянно делятся, а их потомки перестают делиться, некоторое время функционируют и отмирают (# клетки крови, кишечника, в проводящей системе растений). Выход клеток из цикла может быть необратимым, но многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, могут приобрести эту способность вновь. Клетки печени, например, в норме почти не делятся, но после удаления части органа вступают в клеточный цикл и делятся 1-2 раза. Выход клеток из цикла происходит в естественных условиях сразу после митоза: вместо G₁ они вступают в G₀-период, или состояние покоя. Это время выполнения клеткой специализированных функций. Возвращение клеток в цикл (если оно возможно) начинается со вступления их под действием стимулирующих агентов в G₁-период.

В мейозе между двумя делениями отсутствует S-период. У прокариот, например у E.coli клетки делятся каждые 20 минут, а репликация (S-период) длится 40 мин: каждый последующий раунд репликации начинается до завершения предыдущего; репликация идет дихотомически.

Продолжительность клеточного цикла у бактерий может составлять всего 20-30 минут, а у клеток эукариот обычно длится не менее 10-12 ч, часто сутки и более. Исключение составляют быстроделящиеся клетки самых ранних зародышей, весь цикл у них может проходить за 15-20 минут. В эмбриональном развитии во время дробления клеточный цикл минимальный за счет отсутствия G₁ и у большинства G₂- периода, в связи с этим с каждым делением клетки становятся мельче. Продолжительность цикла зависит от типа клеток, их возраста, гормонального баланса, количества ДНК в ядре, температуры и т. д. Жизнь клетки от момента ее возникновения в результате деления материнской клетки до ее собственного деления или смерти называется жизненным (или клеточным) циклом. В течении жизни клетки растут, дифференцируются, выполняют специфические функции, размножаются и служат источником пополнения гибнущих в организме клеток. Период G¹-самый вариабельный по продолжительности. В это время в клетки активируются процессы биологического синтеза, в первую очередь структурных и функциональных белков. Клетка растет и готовится к следующему периоду. Период S - главный в митотическом цикле. В делящихся клетках млекопитающих он длится около 6-10 ч. В это время клетка продолжает синтезировать РНК, белки, но самое важное - осуществляется синтез ДНК. Редупликация ДНК происходит асинхронно: мол-лы ДНК разных хромосом различные участки по длине одной молекулы ДНК реплицируются в разное время и с разной скоростью. Но к концу S- периода вся ядерная ДНК удваивается, каждая хромосома становится двунитчатой, т.е. состоит из двух хроматид - идентичных молекул ДНК.

Период G² относительно короток, в клетках млекопитающих он составляет порядка 2-5 ч. В это время количество центриолей, митохондрий и пластид удваивается, идут активные метаболические процессы, накапливаются белки и энергия для предстоящего деления. Клетка приступает к делению.

22 Современное представление об организации хромосом

В хромосоме выделяются центромера и теломеры и все остальное. Возможно, это тоже надо упомянуть в ответе ;-)).

Первый уровень укладки. Нуклеосомы. Открыты в 1973 году Olins, Noodcook et al. Если обработать хромосомы формалином, то хроматин выглядит как петли шириной 2 нм – фибрилл, соединяющих белковые глобулы («бусины на нитке»). Каждая глобула получила название нуклеосома с коэффициентом седиметации 10,5-12 S, и молекулярной массой 300 кДа.

1974 г. – Корнберг установил, что хроматин включает повторяющиеся последовательности из гистонов и ДНК. На участок 200 пн приходится по 2 молекулы H2A, H2B, H3, H4. H1 обнаружен в половинном количестве и при воздействии соли или трипсина экстрагируется из хроматина. Следовательно H1 не участвует в формировании нуклеосом.

Нуклеосомы – частица, внутренняя часть которой состоит из 2 (H2A+H2B) и (H3+H4). Нуклеосому обвивает 1,75 витка ДНК, 146 пн. Общее количество ДНК на нуклеосому – 160-240 пн. Нуклеосомный комплекс дает структуру в 11 нм в диаметре. Сердцевина нуклеосомы – нуклеосомный кор (core).

Центральная глобула H1 контактирует с нуклеосомой, а вытянутые участки – с линкерной ДНК. По отношению друг к другу нуклеосомы могут располагаться линейно и зигзагообразно. Угол наклона ~ 20 град. Эволюционно консервативны. Нуклеосомный уровень укладки обеспечивает укорочение нити ДНК в 7 раз. Осуществляется за счет взаимодействия гистонов с ДНК и между собой без Н1 и кислых белков. Весь гаплоидный набор хромосом человека связан с 15·10⁶ нуклеосом. 1 ген человека (1000 пн) – с 50 нуклеосомами. Сборка нуклеосом происходит менее чем за 1 миллисекунду.

Второй уровень укладки. Выявляются фибриллы диаметром 30 нм, которые образуются из 11 нм фибрилл. Ряд моделей для описания фибрилл:

Модели дискретной 30 нм фибриллы. Нуклеосома организована в нуклеомеры.

Модели непрерывной фибриллы, т.е. соленоид.

Промежуточные модели в виде непрерывной фибриллы, но представляющей не суперспираль.

Нуклеомерная модель. Пригожин, 1977 г, Кирьянов, 1982. Образуются супергранулы, содержащие 6-8 или 8-12 нуклеосом. В каждую гранулу входит 1600 н ДНК. Эти гранулы – нуклеомеры или супербиды. В составе нуклеомера образуются 2 витка нуклеосом. Н1 находится в центре, организуя нуклеомер.

Соленоидная модель. Цепь нуклеосом может быть закручена сама на себя. Диаметр 25-30 нм. На виток – 6-7 нуклеосом. Допущения:

1.Симметричность нуклеосомного гистонного остова с ДНК длиной 146 пн.

2.Одиночность контактов для любой пары.

ДНК расположена в нуклеосоме в форме левовращающей спирали.

3.Расположение нуклеосомной ДНК на внешней стороне фибриллы при закручивании в соленоид. На внутренней поверхности нити максимально сближены.

4.Вариабельность нитей. При изменении числа пар оснований на нуклеосомный повтор, изменяется и число нуклеосом на виток. Следовательно, изменяется диаметр фибрилл.

Факторы, ведущие к закручиванию в спираль:

1.Взаимодействие между собой Н1.

2.Взаимодействие Н3 и Н1. Стабилизация

3.Участие NaCl и негистоновых белков.

Возможно на разных участках разные модели справедливы.

Промежуточная модель. Subirana, 1985 г. Нуклеосомы располагаются слоями, в каждом слое 5-6 частиц. Внутри слоя пары нуклеосом соединены линкерами и расположены зигзагообразно, следовательно компенсация напряжения. Оказалось, что эта модель адекватна для нативного состояния. Коэффициент укладки = 40.

Третий уровень укладки. Гипотезы:

1.Принцип спиральной укладки. Фибрилласуперсоленоид хроматида.

2.Принцип складывания петель.

Ряд данных свидетельствует в пользу петлевой модели. Петлевую укладку можно видеть при активации генов в световой микроскоп в составе колец Бальбиани на хромосомах типа «ламповых щеток».

Доказательства тотальной организации хромосом в виде петель получены в работах Лэммли и др.

Длина петель 20-30 мкм. Нуклеогистоновая нить через каждые 0,5-2 мкм связана с блоком молекул кислых белков. Это связывание изгибает супернуклеосомную нить в петли, выходящие из одной точки на белковом каркасе. Укладка этих петель может происходить путем закручивания вокруг своей оси. Образуются фибриллы 50-60 нм.

Не существует цельной осевой структуры, а белковый остов сегментирован. Система скрепок. Коэффициет = 1000

Четвертый уровень укладки. При упаковке профазной хроматиды в метафазную ДНК укорачивается в 10⁷ раз. Модель регулярной спирали – 10 витков на хроматиду. 15-20 петлевых доменов на виток. Спиральная структура метафазных хромосом проявляется при разнообразном специфическом воздействии и видна с помощью сканирующего микроскопа. Актин и виментин обеспечивают плотную упаковку. Неизвестны механизмы конденсации и деконденсации.