Глава 5 клеточный цикл

Клеточный цикл — период жизнедеятельнос­ти клетки от конца одного до конца следующего деления — состоит из деления клетки и интерфа­зы. Интерфаза (период жизнедеятельности клетки между делениями) имеет 3 стадии: G, — пресинтетическая, когда клетка увеличивается в размерах, специализируется и дифференцируется (2n2C); S

— синтетическая, редупликация ДНК (2n4C); G₂

— постсинтетическая, когда клетка готовится к делению (2п4С), С — количество молекул ДНК.

Интерфаза обычно занимает не менее 90% всего времени клеточного цикла.

Клеточный цикл может быть изображен в виде круга (рис. 5.1), на котором отмечены отдельные фазы цикла.

Клеточные циклы имеют разную продолжи­тельность у одного и того же организма в зависи­мости от тканевой принадлежности. Например, у человека продолжительность клеточного цикла составляет: для лейкоцитов 3-5 суток, эпителия кожи — 20-25 суток, эпителия роговицы глаза — 2-3 суток, клеток костного мозга 8-12 ч, а нервные клетки живут, как правило, столько, сколько и человек, не завершая клеточный цикл (G,).

5.1. Пресинтетическая фаза

Процессы, протекающие в этой фазе, зависят от дальнейшей судьбы клетки. Если это бластная клетка — она готовится к делению, и в этот пери­од происходит накопление продуктов, необходи­мых для репликации хромосом, для удвоения цен-триолей и построения митотического аппарата. В этих клетках существует специальная система, кон­тролирующая клеточный цикл в фазе G_r Эта сис­тема задерживает переход в фазу синтеза ДНК до тех пор, пока в клетке не будет достаточного запаса компонентов для завершения всех последо­вательных биосинтезов, необходимых в фазах S, G₂ и деления клетки. Считают, что работа такой системы связана с триггерными белками (р21, р 16 и р27), которые ингибируют начало S-фазы. Вы­сокая специализация клетки «обрекает» ее На дальнейшее совершенствование для организма — сохранить высокоспециализированные клетки (на­пример, нервные), такие клетки не завершают свой клеточный цикл. Каждая клетка организма име­ет свою генетическую «программу жизни», кото­рая включает выполнение специфических функ­ций, и имеет определенную продолжительность жизни (например, лимфоциты живут от 3 дней до трех месяцев, эритроциты — 120 дней, а сегментно-ядерные нейтрофилы — 8 часов). Одна из совре­менных гипотез предполагает, что на определен­ном этапе жизнедеятельности в клетках выраба­тываются специфические белки семейства — ВАХ, определенная концентрация которых приводит к гибели клетки.

В последние годы ведущая роль в регуляции клеточного цикла отводится белкам семейства циклинов, обуславливающих различия в длитель­ности клеточного цикла в основном за счет измене­ния продолжительности фазы G, (рис. 5.2). Неко­торые клетки делятся очень медленно, оставаясь в этой стадии месяцы и годы.

5.2. Синтетическая фаза

Поскольку каждая хромосома человека состо­ит из одной молекулы ДНК (в среднем содержа­щей около 150 млн нуклеотидов), то для полной репликации такой молекулы с помощью одной репликационной вилки — репликона — потребо­валось бы 0,2 х 150 х 10⁶ = 3 х 10⁶ с, т.е. около 800 часов. Реально фаза S продолжается 8-10 часов. Показано, что репликация ДНК в фазе S у чело­века начинается сразу во многих точках генома, и каждая хромосома имеет несколько репликонов (от 20 до 80). На протяжении фазы S активизация новых репликонов происходит до полного завер­шения репликации всей ДНК- Скорость реплика­ции не меняется, и работа репликационной вилки прекращается при встрече с соседней вилкой реп­ликации.

5.3. Постсинтетическая фаза

Фаза G₂ обеспечивает подготовку клеток к де­лению. Показано, что деление клетки не наступа­ет, если блокируется синтез белков в G₂. Сущес­твует гипотеза о том, что незадолго до конца фазы G₂ активизируется киназа, что способствует пере­ходу клеток из G₂ к делению. В этот период проис­ходит активное накопление энергии и ферментов, необходимых для реализации последующего де­ления, увеличение числа митохондрий, накопле­ние АТФ, активизация биосинтеза для обеспече­ния репликации центриолей и начала образова­ния веретена деления. Далее клетки вступают в период деления. Ниже приведены возможные типы

деления клеток, каждое из которых заканчивает­ся распределением органоидов и цитоплазмы (ци­токинез).

5.4. Типы делений клеток

В основе передачи наследственной информа­ции лежит деление клеток, являющееся частью жизни клеток.

Амитоз — при этом способе деления клетка «перешнуровывается» нацело вместе с ядром. В результате из одной клетки образуются две до­черние, не идентичные друг другу, клетки (т.к. рас­пределение наследственного материала и цитоп­лазмы неравномерно). У человека амитоз встре­чается в норме в клетках печени, эпителиальной ткани серозных оболочек, а также при необходи­мости быстрого восстановления тканей (после опе­раций, травм и т.д.).

Митоз — деление клеток, в результате которо­го из одной исходной материнской клетки получа­ются две дочерние, идентичные друг другу. Иден­тичность получается в результате механизма рав­номерного распределения наследственного мате­риала между клетками за счет прохождения клет­ками ряда фаз (рис. 5.3).

Профаза— хромосомы спирализуются, яд­рышко и ядерная оболочка распадаются, карио­плазма и цитоплазма смешиваются, образуя миксоплазму, вязкость миксоплазмы уменьшается, хромосомы перемещаются в экваториальную плос­кость. Это самая продолжительная фаза митоза. Затем клетка вступает во вторую стадию митоза — метафазу. Хромосомы выстраиваются в одной плоскости по экватору, их центромеры располо­жены строго в экваториальной плоскости. Число фигур равно диплоидному набору, каждая фигу­ра представлена парой сестринских (идентичных) хроматид, образованных в процессе репликации ДНК (в S — период интерфазы). По продолжи­тельности это самая короткая фаза митоза, так как она длится то мгновение, когда центромеры удвоенных хромосом располагаются строго по ли­нии экватора. Уже в следующий момент начинает­ся следующая фаза. Центромера начинает делить­ся, сестринские хроматиды расходятся к противопо­ложным полюсам — эта стадия называется анафа­за.Далее хромосомы концентрируются вокруг со­ответствующих клеточных центров и деспирализуются. Начинают формироваться ядрышко и ядерные оболочки, образуется мембрана между сестринскими клетками, органоиды распределяют­ся между новыми клетками. Эта последняя ста­дия митоза называется — телофаза.

Митоз лежит в основе процессов роста, приво­дящих к образованию из зиготы взрослого орга­низма. Фактически, это «биологическая штампов­ка» клеточного материала. В некоторых случаях образуются новые ядра, но цитокинез не происхо­дит. Такая разновидность митоза называется ми­тозом с задержкой цитокинеза, что приводит к об­разованию многоядерных клеток, выполняющих спе­цифические функции (например, клетки печени че­ловека).

Значение митоза:

точная передача наследственной информации;

увеличение числа клеток, т.е. один из глав­ных механизмов роста организма;

способ регенерации клеток.

Мейоз — способ деления, возникновение кото­рого связано с появлением полового размножения (созревание гамет), поэтому его называют делением созревания. Мейоз состоит из двух последователь­ных делений ядра, каждое из которых состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II (рис. 5.4).

Между 1-м и 2-м делением мейоза бывает ста­дия интеркинеза (ДНК не удваивается). Важным моментом является профаза I мейоза.

Лептотена — стадия «букета», начало конден­сации хроматина, образование хромомер (2n, 4C, где п — число фигур деления, а С — количество молекул ДНК).

Зиготена — продолжение конденсации хро­матина, начало конъюгации гомологичных хро­мосом (синапсис) и образование бивалентов (тет­рад) и синаптонемального комплекса.

да гомологичные хромосомы конъюгируют меж­ду собой.

Мейоз иногда называют редукционным де­лением, или делением созревания, т.к. формирова­ние гамет связано с этим типом деления клетки.

5.5. Задание

1. Укажите разновидности митоза, которые мо­гут встречаться в клетках человека, и дайте им характеристику.

2. Перечислите известные вам типы деления клеток у человека, дайте им характеристику.

3. Могут ли соматические клетки в норме у че­ловека иметь 45, 46, 47 хромосом? Ответ обоснуйте.

4. Правомочно ли называть интерфазу «пау­зой» между двумя мейотическими делениями?

5. Сколько хроматид отойдет к полюсам в ана-фазе-2 в мейозе у человека?

6. Если в культуре ткани человека произошла элиминация одной хромосомы, то сколько хромо­сом будет в дочерних клетках после митоза (рас­смотрите возможность элиминации в разных фа­зах митоза).

7. Сколько бивалентов образуется в клетках человека и сколько хроматид в профазе-1 и про-фазе-2 мейоза?

8. Могут ли в клетках человека 24 хромосомы быть отцовскими?

9. Сколько хроматид отойдет к полюсам в клет­ках человека в анафазе-1 и анафазе-2 мейоза?

10. Если во время митоза у человека не разо­шлась одна пара хромосом? две пары? Сколько хромосом будет в дочерних клетках?

11. Какое количество хромосом и молекул

ДНК содержится в клетке в G1 и G2 периодах? Выберите правильный ответ: 2n 2C; 2п С; 4n 4C;

2n 4C; n 4C.

12. В каком из периодов клеточного цикла и фаз митоза хромосома состоит из одной хроматиды?

13. Какое количество хромосом и молекул ДНК содержится в телофазе митоза? Выберите правильный ответ: 2n 2C; 2п С; 4n 4C; 2n 4C; n 4C.