ЛЕКЦИЯ: Клеточный цикл эукариот

Клетка характеризуется разной способностью к делению. У многоклеточных есть клетки, которые потеряли способность к делению. Чаще всего это специализированные дифференцированные клетки. Клетки ЦНС, кардиомиоцита, хрусталика глаза. И в организме есть постоянно обновляющиеся клетки. Это кровь, эпителиальные ткани. В таких тканях существует часть клеток, которые заменяют отработавшие или погибающие клетки. Клетки базального слоя покровного эпителия, клетки крипт кишечника, кроветворные клетки костного мозга и т.п. Последовательность событий, происходящих между образованием данной клетки и ее собственным делением на дочерние называют клеточным или жизненным циклом. Этот цикл однонаправленный процесс. Клетка последовательно проходит разные его периоды без их пропуска или возврата к предыдущим стадиям и, вступив в клеточный цикл, клетка заканчивает его синтезом ДНК и образованием новой клетки. Весь клеточный цикл состоит как бы из четырех временных отрезков: Собственно митоз Пресинтетический период (G₁),синтетический (S) и постсинтетический (G₂).Периоды его стадий очень сильно варьируют как у разных организмов, так и у клеток разной формы одного организма.

Самым главным является синтетический период. В это время происходит синтез ДНК. Весь синтез ДНК протекает за счет независимого синтеза на множестве отдельных репликонов. Биологический смысл этого становится понятным, когда мы сравниваем синтез ДНК прокариот и эукариот. А именно, бактериальный нуклеоид монорепликон. Длина примерно в 1600 мкм. Если бы сантиметровая молекула хромосомы млекопитающих также как и монорепликоновая структура увеличивала численностью свою, то на это бы ушло около шести суток. Но если в такой хромосоме расположено несколько сот репликонов, то для полной ее репликации требуется только один час.

В некоторых случаях включаются дополнительные репликоны или появляются новые точки репликации, что дает возможность закончить синтез за минимально короткое время. У Дрозофилы на ранних стадиях весь синтез занимает 3 с половиной минуты, а в клетках взрослой ткани уже 600 минут. В клетках взрослых кол-во репликонов больше.

Синтез ДНК по длине отдельной хромосомы происходит асинхронно, т.е. неравномерно. В индивидуальной хромосоме активные репликоны собраны в группы, которые называются репликативной единицей, включающей в себя от 10 до 80 точек начала репликации. Каждая хромосома характеризуется высокой стабильностью порядка репликации по своей длине и временными параметрами. Репликативные единицы вместе с белками ядерного матрикса и ферментами репликации образуют особые зоны, которые называются кластеросомы, т.е. зоны, на которых идет синтез ДНК. Порядок определяется структурой хроматина в этом участке. Например, зоны конститутивного гетерохроматина реплицируются обычно в конце S периода. При этом существует строгая детерминированная последовательность. Весь синтез ДНК протекает за счет независимого синтеза на множестве отдельных репликонов, что сокращает время репликации.

G1 – это отрезок времени, предшествующий началу синтеза ДНК. Характеризуется преимущественным ростом цитоплазмы. Этот период наиболее длителен у подавляющего большинства живых организмов. Варьирует от 10 часов до нескольких суток. Но в этот период G1 происходят закономерно следующие процессы – образование митохондрий и хлоропластов, ЭПР, лизосом, комплекса Гольджи, вакуолей, секреторных пузырьков и т.д. Ядро синтезирует все типы РНК. Образуются субъединицы рибосом. В цитоплазме собираются полные работающие рибосомы. Синтезируются структурные и функциональные белки. Наблюдается интенсивный клеточные метаболизм. Клетка растет, увеличивается в размерах. Образуется в результате химических реакций вещества, которые либо подавляют, либо стимулируют все остальные стадии клеточного цикла. И если происходит в клетке переход к следующей стадии S, такую интерфазу называют автосинтетической. Если же в клетке синтез различных веществ происходит, а синтез ДНК отсутствует, то такая интерфаза называется гетеросинтетической. и такой выходы клетки из цикла обозначается стадией G₀. Так называемый период покоя. Это фаза принятия решения и через какое-то время такие клетки могут вновь вернуться, но чаще всего в многоклеточных организмах такие клетки теряют способность к размножению.

G₀ – фаза принятия решения. Будет ли клетка размножаться. Это комплекс факторов роста, которые побуждают клетки к размножению. Это могут быть или собственные продукты данных клеток и тогда мы имеем дело с аутокринной стимуляцией. Или продукты других соседних клеток, тогда мы имеем дело с паракринной стимуляцией или даже могут быть продукты клеток других органов – гормональная стимуляция. Это разные факторы роста взаимодействуют на поверхности клеток со своими рецепторами и передают сигнал на систему многоклеточного каскада. Механизм универсальный.

Постсинтетический период G₂. Он характеризуется разрастанием и ядра и цитоплазмы. Вновь отличаются интенсивные процессы биосинтеза, деление митохондрий, хлоропластов, формируются все необходимые компоненты для образования веретена деления.

Особо следует отметить синтез белка. Серин\треонин-протеинкиназа – фактор созревания, который является ферментом, катализирующем фосфорилирование белков. Протеин-киназа активируется незадолго до конца фазы G₂ и это служит сигналом перехода клетки к митозу. Под контролем этого фермента находятся три процесса: 1) фосфорилирование белков ламины. В результате ламина деполимеризуется и при этом разрушается ядерная оболочка. 2) Фосфорилируются белки, взаимодействующие с микротрубочками при образования веретена деления. 3) фосфорилируются гистон Н₁

Другой термин, который более отражает суть процесса – кариокинез. Или непрямое деление. Это единственный способ увеличения с полноценным распределением. Выделяют несколько типов митоза – наиболее простой тип митоза – плевромитоз, который подразделяется на несколько видов. Закрытый. Расхождение происходит без нарушения ядерной оболочки. В качестве центров организации участвуют структуры, находящиеся на внутренней стороне ядерной мембраны. Полярные тельца, от которых отходят микротрубочки. Этих телец два, они расходятся друг от друга не теряя связи с ядерной оболочки и в результате этого образуются два полуверетена, связанные с хромосомами. Весь процесс образования митотического аппарата и расхождения хромосом происходит внутри ядерной оболочки такой тип митоза широко распространен у грибов. А у простейших встречается другая форма плевромитоза – полузакрытый, когда после формирования веретена ядерная оболочка частично разрушается.

Другая форма митоза – ортомитоз. В этом случае ЦОМТы располагаются в цитоплазме и идет образование не полуверетен, а двух полюсных веретен. Ортомитоз делится на три вида: открытый, полузакрытый и закрытый. При полузакрытом ортомитозе образуется бисимметричное веретено с помощью расположенных в цитоплазме ЦОМТов ядерная оболочка сохраняется за исключением полярных ЦОМТов. Такая форма митоза характерна для зеленых водорослей, грегарин. При закрытом ортомитозе полностью сохраняется ядерная оболочка. Под ней образуется настоящее веретено. Микротрубочки формируются в кариоплазме. Такой тип характерен для микронуклеусов инфузорий. При открытом ортомитозе ядерная оболочка полностью распадается, содержимое ядра кариоплазмы смешивается с гиалоплазмой и формируется единая внутренняя среда, которая называется миксоплазма. Такой тип деления характерен для высших растений, большинства животных клеток и есть у некоторых растений. Эта форма митоза представлена двумя типами: астральным и анастральным типами. Астральный тип веретена или конвергентный характеризуется тем, что его полюса представлены небольшой долей, которые сходятся в микротрубочке. В полюсах астральных веретен располагаются центросомы, содержащие центриоли. От полюсов расходятся радиальные микротрубочки, образующие звездчатые структуры, которые называются цистостеры. Анастральный тип никогда не имеет на полюсах цитостер. Полярные области веретена здесь широкие, их называют полярными шапочками. Волокна веретена в данном случае не отходят от одной точки, а расходятся широким фронтом, как бы дивергируют.

Для делящихся клеток высших растений характерен такой тип митотического деления.

Для образования веретена деления для всех эукариот принимают участие два рода структур – полярные тельца или полюса веретена и кинетохоры хромосом.

Центросомы (полярные тельца) являются центрами организации. От них своими положительными концами отрастают микротрубочки, образующие пучки и тянущиеся к хромосоме. Как правило, при организации аппарата деления участвуют две центросомы или два полярных тельца, находящиеся на противоположных концах клетки. У многих эукариот центриолей нет, а центры организации микротрубочек присутствуют в виде бесструктурных аморфных зон, от которых отходят многочисленные микротрубочки.