Клетъчен цикъл. Накратко за интерфазата

Ръст на човешкото тялосе причинява от увеличаване на размера и броя на клетките, като последното се осигурява от процеса на делене или митоза. Клетъчната пролиферация възниква под въздействието на извънклетъчни растежни фактори, а самите клетки преминават през повтаряща се последователност от събития, известни като клетъчен цикъл.

Има четири основни фази: G1 (пресинтетичен), S (синтетичен), G2 (постсинтетичен) и M (митотичен). Това е последвано от разделяне на цитоплазмата и плазмената мембрана, което води до две идентични дъщерни клетки. Фазите Gl, S и G2 са част от интерфазата. Хромозомната репликация се случва по време на синтетичната фаза или S фаза.
Мнозинство клеткине са обект на активно делене; митотичната им активност е потисната по време на GO фазата, която е част от G1 фазата.

Продължителност на М-фазатае 30-60 минути, докато целият клетъчен цикъл се извършва за около 20 часа, в зависимост от възрастта, нормалните (нетуморни) човешки клетки преминават до 80 митотични цикъла.

процеси клетъчен цикълсе контролират чрез последователно повтарящо се активиране и инактивиране на ключови ензими, наречени циклин-зависими протеин кинази (CDPK), както и техните кофактори, циклини. В този случай под въздействието на фосфокинази и фосфатази възниква фосфорилиране и дефосфорилиране на специални комплекси циклин-CZK, които са отговорни за началото на определени фази от цикъла.

Освен това по съответния етапи, подобни на CZK протеинипричиняват уплътняване на хромозомите, разкъсване на ядрената обвивка и реорганизация на цитоскелетните микротубули, за да се образува митотично вретено.

G1 фаза на клетъчния цикъл

G1 фаза- междинен етап между M и S фазите, през който се увеличава количеството на цитоплазмата. Освен това, в края на G1 фазата има първа контролна точка, където се проверяват възстановяването на ДНК и условията на околната среда (дали са достатъчно благоприятни за прехода към S фаза).

В случай на ядрена ДНКповреден, активността на протеина р53 се повишава, което стимулира транскрипцията на р21. Последният се свързва със специфичен комплекс циклин-CZK, отговорен за прехвърлянето на клетката към S-фазата и инхибира нейното делене на етапа на Gl-фазата. Това позволява на ремонтните ензими да възстановят повредени ДНК фрагменти.

Ако възникнат патологии p53 протеинова репликация на дефектна ДНКпродължава, което позволява на делящите се клетки да натрупват мутации и допринася за развитието на туморни процеси. Ето защо протеинът p53 често се нарича "пазител на генома".

G0 фаза на клетъчния цикъл

Пролиферацията на клетки при бозайници е възможна само с участието на секретирани от други клетки извънклетъчни растежни фактори, които упражняват своя ефект чрез каскадна сигнална трансдукция на протоонкогени. Ако по време на фазата G1 клетката не получи подходящи сигнали, тогава тя излиза от клетъчния цикъл и влиза в състояние G0, в което може да остане няколко години.

G0 блокът се осъществява с помощта на протеини - супресори на митозата, един от които е ретинобластомен протеин(Rb протеин), кодиран от нормални алели на гена на ретинобластома. Този протеин се свързва с изкривени регулаторни протеини, блокирайки стимулирането на транскрипцията на гени, необходими за клетъчната пролиферация.

Извънклетъчните растежни фактори разрушават блока чрез активиране Gl-специфични циклин-CZK комплекси, които фосфорилират Rb протеина и променят неговата конформация, в резултат на което връзката с регулаторните протеини се прекъсва. В същото време последните активират транскрипцията на кодираните от тях гени, които задействат процеса на пролиферация.

S фаза на клетъчния цикъл

Стандартно количество Двойни спирали на ДНКвъв всяка клетка съответният диплоиден набор от едноверижни хромозоми обикновено се обозначава като 2C. Комплектът 2C се поддържа през G1 фазата и се удвоява (4C) по време на S фазата, когато се синтезира нова хромозомна ДНК.

Започвайки от края S-фазаи до M фаза (включително G2 фаза), всяка видима хромозома съдържа две здраво свързани ДНК молекули, наречени сестрински хроматиди. Така в човешките клетки от края на S-фазата до средата на М-фазата има 23 двойки хромозоми (46 видими единици), но 4C (92) двойни спирали на ядрена ДНК.

В ход митозаидентични набори от хромозоми са разпределени между две дъщерни клетки по такъв начин, че всяка от тях съдържа 23 двойки 2C ДНК молекули. Трябва да се отбележи, че фазите G1 и G0 са единствените фази на клетъчния цикъл, по време на които 46 хромозоми в клетките съответстват на 2C набор от ДНК молекули.

G2 фаза на клетъчния цикъл

Второ контролна точка, където се тества размерът на клетката, е в края на фазата G2, разположена между фазата S и митозата. Освен това на този етап, преди да се премине към митоза, се проверява пълнотата на репликацията и целостта на ДНК. Митоза (М-фаза)

1. Профаза. Хромозомите, всяка от които се състои от две идентични хроматиди, започват да се кондензират и стават видими вътре в ядрото. На противоположните полюси на клетката около две центрозоми от тубулинови влакна започва да се образува вретеновиден апарат.

2. Прометафаза. Ядрената мембрана се разделя. Кинетохорите се образуват около центромерите на хромозомите. Тубулиновите влакна проникват в ядрото и се концентрират близо до кинетохорите, свързвайки ги с влакна, излизащи от центрозомите.

3. Метафаза. Напрежението на влакната кара хромозомите да се подредят по средата между полюсите на вретеното, като по този начин образуват метафазната плоча.

4. Анафаза. Центромерната ДНК, споделена между сестринските хроматиди, се дублира и хроматидите се отделят и се раздалечават по-близо до полюсите.

5. Телофаза. Разделените сестрински хроматиди (които от този момент нататък се считат за хромозоми) достигат полюсите. Около всяка група се появява ядрена мембрана. Уплътненият хроматин се разпръсква и се образуват нуклеоли.

6. Цитокинеза. Клетъчната мембрана се свива и в средата между полюсите се образува бразда за разцепване, която с времето разделя двете дъщерни клетки.

Центрозомен цикъл

в G1 фаза временастъпва отделяне на двойка центриоли, свързани с всяка центрозома. По време на фазите S и G2 се образува нов дъщерен центриол вдясно от старите центриоли. В началото на фазата М центрозомата се дели и две дъщерни центрозоми се придвижват към клетъчните полюси.

Клетъчният цикъл е периодът на съществуване на клетката от момента на нейното образуване чрез делене на майчината клетка до нейното собствено делене или смърт.

Продължителност на клетъчния цикъл

Продължителността на клетъчния цикъл варира в различните клетки. Бързо възпроизвеждащите се клетки на възрастни организми, като хемопоетични или базални клетки на епидермиса и тънките черва, могат да навлязат в клетъчния цикъл на всеки 12-36 часа. Кратки клетъчни цикли (около 30 минути) се наблюдават по време на бързо фрагментиране на яйца на бодлокожи, земноводни. и други животни. При експериментални условия много линии от клетъчни култури имат кратък клетъчен цикъл (около 20 часа). В повечето активно делящи се клетки периодът между митозите е приблизително 10-24 часа.

Фази на клетъчния цикъл

Еукариотният клетъчен цикъл се състои от два периода:

Период на клетъчен растеж, наречен „интерфаза“, по време на който се синтезират ДНК и протеини и се извършва подготовка за клетъчно делене.

Периодът на клетъчно делене, наречен "фаза М" (от думата митоза - митоза).

Интерфазата се състои от няколко периода:

G 1-фаза (от английски. празнина- интервал), или началната фаза на растеж, по време на която се извършва синтеза на иРНК, протеини и други клетъчни компоненти;

S-фаза (от английски. синтез- синтез), по време на който се извършва репликация на ДНК на клетъчното ядро, възниква и удвояване на центриолите (ако съществуват, разбира се).

G 2 фаза, по време на която се извършва подготовка за митоза.

В диференцирани клетки, които вече не се делят, може да няма G 1 фаза в клетъчния цикъл. Такива клетки са във фаза на покой G0.

Периодът на клетъчно делене (фаза М) включва два етапа:

кариокинеза (разделяне на клетъчното ядро);

цитокинеза (разделяне на цитоплазмата).

От своя страна митозата е разделена на пет етапа.

Описанието на клетъчното делене се основава на данни от светлинна микроскопия в комбинация с микрокинофотография и на резултатите от светлинна и електронна микроскопия на фиксирани и оцветени клетки.

Регулиране на клетъчния цикъл

Редовната последователност от промени в периодите на клетъчния цикъл възниква чрез взаимодействието на протеини като циклин-зависими кинази и циклини. Клетките във фазата G0 могат да влязат в клетъчния цикъл, когато са изложени на растежни фактори. Различни растежни фактори, като тромбоцитни, епидермални и нервни растежни фактори, чрез свързване към техните рецептори задействат вътреклетъчна сигнална каскада, което в крайна сметка води до транскрипция на циклинови гени и циклин-зависими кинази. Циклин-зависимите кинази стават активни само когато взаимодействат със съответните циклини. Съдържанието на различни циклини в клетката се променя през целия клетъчен цикъл. Циклинът е регулаторен компонент на комплекса циклин-циклин-зависима киназа. Киназата е каталитичният компонент на този комплекс. Киназите не са активни без циклини. Различни циклини се синтезират на различни етапи от клетъчния цикъл. По този начин съдържанието на циклин В в ооцитите на жаба достига максимум по време на митозата, когато се стартира цялата каскада от реакции на фосфорилиране, катализирана от комплекса циклин В/циклин-зависима киназа. До края на митозата циклинът бързо се разрушава от протеиназите.

ИнтерфазаG1следва телофазата на митозата. По време на тази фаза клетката синтезира РНК и протеини. Продължителността на фазата е от няколко часа до няколко дни. G0.Клетките могат да излязат от цикъла и да бъдат във фаза G0. Във фазата G0 клетките започват да се диференцират. С.По време на S фазата протеиновият синтез продължава в клетката, настъпва репликация на ДНК и центриолите се разделят. В повечето клетки S фазата продължава 8-12 часа. G2.По време на фазата G2 синтезът на РНК и протеин продължава (например синтезът на тубулин за микротубулите на митотичното вретено). Дъщерните центриоли достигат размера на окончателните органели. Тази фаза продължава 2-4 часа. МитозаПо време на митоза ядрото (кариокинеза) и цитоплазмата (цитокинеза) се разделят. Фази на митозата: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза (фиг. 2-52). Профаза.Всяка хромозома се състои от две сестрински хроматиди, свързани с центромера; Центриолите организират митотичното вретено. Двойка центриоли е част от ми-

1. Какво представлява клетъчният цикъл?

Клетъчният цикъл е съществуването на клетка от момента на нейното образуване по време на деленето на майчината клетка до нейното собствено делене (включително това делене) или смърт. Клетъчният цикъл се състои от интерфаза и митоза (клетъчно делене).

2. Какво се нарича интерфаза? Какви основни събития се случват в G 1 -, S- и G 2 -периодите на интерфазата?

Интерфазата е частта от клетъчния цикъл между две последователни деления. По време на цялата интерфаза хромозомите са неспирализирани и са разположени в клетъчното ядро ​​под формата на хроматин. Обикновено интерфазата се състои от три периода:

● Пресинтетичен период (G 1) – най-дългата част от интерфазата (от 2 – 3 часа до няколко дни). През този период клетката расте, увеличава се броят на органелите, натрупват се енергия и вещества за последващото удвояване на ДНК. По време на периода G 1 всяка хромозома се състои от един хроматид. Наборът от хромозоми (n) и хроматиди (c) на диплоидна клетка в периода G 1 е 2n2c.

● По време на синтетичния период (S) се извършва удвояване (репликация) на ДНК, както и синтеза на протеини, необходими за последващото образуване на хромозоми. През същия този период се случва удвояването на центриолите. До края на S периода всяка хромозома се състои от две идентични сестрински хроматиди, свързани в центромера. Наборът от хромозоми и хроматиди на диплоидна клетка в края на S-периода (т.е. след репликация) е 2n4c.

● По време на постсинтетичния период (G 2) клетката натрупва енергия и синтезира протеини за предстоящото делене (например тубулин за изграждане на микротубули, които впоследствие образуват вретеното). По време на целия G 2 период наборът от хромозоми и хроматиди в клетката е 2n4c.

В края на интерфазата започва клетъчното делене.

3. Кои клетки се характеризират с периода G 0? Какво се случва през този период?

За разлика от постоянно делящите се клетки (например клетките на зародишния слой на епидермиса на кожата, червения костен мозък, лигавицата на стомашно-чревния тракт на животните, клетките на образователната тъкан на растенията), повечето клетки на многоклетъчния организъм приемат пътя на специализацията и след преминаване през част от периода G 1 преминават през периода на почивка (G 0 -период).

Клетките в периода G0 изпълняват своите специфични функции в тялото, в тях протичат метаболитни и енергийни процеси, но не се извършва подготовка за репликация. Такива клетки, като правило, трайно губят способността си да се делят. Примерите включват неврони, клетки от лещи и много други.

Въпреки това, някои клетки, които са в периода G0 (например левкоцити, чернодробни клетки), могат да го напуснат и да продължат клетъчния цикъл, преминавайки през всички периоди на интерфаза и митоза. Така чернодробните клетки могат отново да придобият способността да се делят след няколко месеца престой в период на почивка.

4. Как се осъществява репликацията на ДНК?

Репликацията е дублирането на ДНК, една от реакциите на синтеза на матрицата. По време на репликацията специални ензими разделят двете вериги на оригиналната родителска ДНК молекула, разкъсвайки водородните връзки между комплементарните нуклеотиди. Молекулите на ДНК полимеразата, основният репликационен ензим, се свързват с разделените нишки. След това молекулите на ДНК полимеразата започват да се движат по майчините вериги, като ги използват като матрици и синтезират нови дъщерни вериги, избирайки нуклеотиди за тях според принципа на комплементарност.

В резултат на репликацията се образуват две еднакви двуверижни ДНК молекули. Всяка от тях съдържа една верига от оригиналната майчина молекула и една новосинтезирана дъщерна верига.

5. Еднакви ли са ДНК молекулите, които изграждат хомоложните хромозоми? В състава на сестринските хроматиди? Защо?

ДНК молекулите в сестринските хроматиди на една хромозома са идентични (имат една и съща нуклеотидна последователност), т.к. образуват се в резултат на репликация на оригиналната майчина ДНК молекула. Всяка от двете ДНК молекули, които изграждат сестрински хроматиди, съдържа една верига от оригиналната майчина ДНК молекула (шаблон) и една нова дъщерна верига, синтезирана върху тази матрица.

Молекулите на ДНК в хомоложните хромозоми не са идентични. Това се дължи на факта, че хомоложните хромозоми имат различен произход. Във всяка двойка хомоложни хромозоми едната е майчина (наследена от майката), а другата е бащина (наследена от бащата).

6. Какво е некроза? Апоптоза? Какви са приликите и разликите между некроза и апоптоза?

Некрозата е смърт на клетки и тъкани в жив организъм, причинена от действието на увреждащи фактори от различно естество.

Апоптозата е програмирана клетъчна смърт, регулирана от тялото (т.нар. „клетъчно самоубийство“).

Прилики:

● Некрозата и апоптозата са два вида клетъчна смърт.

● Среща се на всички етапи от живота на тялото.

Разлики:

● Некрозата е случайна (непланирана) клетъчна смърт, която може да бъде причинена от излагане на високи и ниски температури, йонизиращо лъчение, различни химикали (включително токсини), механично увреждане, нарушено кръвоснабдяване или инервация на тъканите или алергична реакция. Апоптозата първоначално се планира от тялото (генетично програмирана) и се регулира от него. По време на апоптоза клетките умират без пряко увреждане, в резултат на получаването на специфичен молекулярен сигнал - "заповед за самоунищожение".

● В резултат на апоптоза умират отделни специфични клетки (само тези, които са получили „поръчката“), а цели групи клетки обикновено претърпяват некротична смърт.

● По време на некротична смърт в увредените клетки пропускливостта на мембраната се нарушава, протеиновият синтез спира, други метаболитни процеси спират, ядрото, органелите и накрая цялата клетка се разрушават. Обикновено умиращите клетки се атакуват от левкоцити и в областта на некрозата се развива възпалителна реакция. По време на апоптозата клетката се разпада на отделни фрагменти, заобиколени от плазмалема. Обикновено фрагменти от мъртви клетки се абсорбират от бели кръвни клетки или съседни клетки, без да предизвикват възпалителен отговор.

И (или) други значими характеристики.

7. Какво е значението на програмираната клетъчна смърт в живота на многоклетъчните организми?

Една от основните функции на апоптозата в многоклетъчния организъм е да осигури клетъчна хомеостаза. Благодарение на апоптозата се поддържа правилното съотношение на броя на клетките от различни видове, осигурява се обновяване на тъканите и се отстраняват генетично дефектните клетки. Апоптозата изглежда прекъсва безкрайността на клетъчните деления. Отслабването на апоптозата често води до развитие на злокачествени тумори и автоимунни заболявания (патологични процеси, при които се развива имунна реакция срещу собствените клетки и тъкани на организма).

8. Защо смятате, че в по-голямата част от живите организми основният пазител на наследствената информация е ДНК, а РНК изпълнява само спомагателни функции?

Двойноверижната природа на молекулата на ДНК е в основата на процесите на нейното самоудвояване (репликация) и отстраняване на увреждането - възстановяване (неувредената верига служи като матрица за възстановяване на увредената верига). Тъй като е едноверижна, РНК не е способна на репликация и нейните възстановителни процеси са затруднени. В допълнение, наличието на допълнителна хидроксилна група върху рибозата (в сравнение с дезоксирибозата) прави РНК по-податлива на хидролиза от ДНК.

Какво е интерфаза? Терминът идва от латинската дума "inter", преведена като "между", и гръцката "phasis" - период. Това е най-важният период, през който клетката расте и натрупва хранителни вещества, подготвяйки се за следващото делене. Интерфазата заема голяма част от целия клетъчен цикъл; до 90% от целия живот на клетката протича в нея.

Какво е интерфаза

По правило основната част от клетъчните компоненти нараства през цялата фаза, така че е доста трудно да се разграничат отделните етапи в нея. Независимо от това, биолозите са разделили интерфазата на три части, като се фокусират върху времето на репликация в клетъчното ядро.

Интерфазови периоди: G(1) фаза, S фаза, G(2) фаза. Пресинтетичният период (G1), чието име идва от английската празнина, преведено като "интервал", започва веднага след разделянето. Това е много дълъг период, който продължава от десет часа до няколко дни. През този период се натрупват вещества и се извършва подготовка за удвояване на генетичния материал: започва синтеза на РНК и се образуват необходимите протеини.

Какво представлява интерфазата в последния й период? В пресинтетичната фаза броят на рибозомите се увеличава, повърхността на грубия ендоплазмен ретикулум се увеличава и се появяват нови митохондрии. Клетката, която консумира много енергия, расте бързо.

Диференцираните клетки, които вече не могат да се делят, остават във фаза на покой, наречена G0.

Основен период на интерфаза

Независимо какви процеси протичат в клетката по време на интерфазата, всяка от подфазите е важна за цялостната подготовка за митоза. Въпреки това, синтетичният период може да се нарече повратна точка, тъй като през него хромозомите се удвояват и започва незабавна подготовка за разделяне. РНК продължава да се синтезира, но веднага се комбинира с хромозомни протеини, започвайки репликация на ДНК.

Интерфазата на клетката в тази част продължава от шест до десет часа. В резултат на това всяка хромозома се удвоява и вече се състои от двойка сестрински хроматиди, които след това се разпръскват към полюсите на вретеното. В синтетичната фаза центриолите се удвояват, ако, разбира се, присъстват в клетката. През този период хромозомите могат да се видят под микроскоп.

Трети период

Генетично хроматидите са абсолютно идентични, тъй като единият от тях е майчин, а вторият се репликира с помощта на информационна РНК.

Веднага след пълното удвояване на целия генетичен материал започва постсинтетичният период, предшестващ разделянето. Това е последвано от образуването на микротубули, от които впоследствие ще се образува вретеното, а хроматидите ще се отклонят към полюсите. Съхранява се и енергия, тъй като по време на митозата синтезът на хранителни вещества намалява. Продължителността на постсинтетичния период е кратка, обикновено трае само няколко часа.

Контролно-пропускателни пунктове

По време на този процес клетката трябва да премине през определени контролни точки - важни „маркери“, след което преминава на друг етап. Ако по някаква причина клетката не е успяла да премине контролно-пропускателния пункт, тогава целият клетъчен цикъл замръзва и следващата фаза няма да започне, докато не бъдат коригирани проблемите, които са й попречили да премине през контролно-пропускателния пункт.

Има четири основни точки, повечето от които са точно в интерфаза. Клетката преминава първата контролна точка в пресинтетичната фаза, когато се проверява целостта на ДНК. Ако всичко е правилно, тогава започва синтетичният период. В него точката на съгласуване е проверката на точността на репликацията на ДНК. Контролната точка във фазата след синтез е проверка за повреда или пропуски в предходните две точки. Тази фаза също така проверява доколко пълна репликация и клетки са настъпили. Тези, които не преминат този тест, нямат право да участват в митоза.

Проблеми в интерфазата

Нарушаването на нормалния клетъчен цикъл може да доведе не само до неуспехи в митозата, но и до образуване на солидни тумори. Освен това това е една от основните причини за появата им. Нормалното протичане на всяка фаза, колкото и кратка да е тя, предопределя успешното преминаване на следващите етапи и липсата на проблеми. Туморните клетки имат промени в контролните точки на клетъчния цикъл.

Например, в клетка с увредена ДНК, синтетичният период на интерфаза не настъпва. Възникват мутации, които водят до загуба или промени в гените на протеина p53. В клетките няма блокиране на клетъчния цикъл и митозата започва предсрочно. Резултатът от подобни проблеми е голям брой мутантни клетки, повечето от които са нежизнеспособни. Въпреки това, тези, които могат да функционират, пораждат злокачествени клетки, които могат да се делят много бързо поради скъсена или липсваща фаза на покой. Характеристиката на интерфазата позволява на злокачествените тумори, състоящи се от мутантни клетки, да се делят толкова бързо.

Продължителност на интерфазата

Нека дадем няколко примера за това колко повече интерфазата заема в живота на една клетка в сравнение с митозата. В епитела на тънките черва на обикновените мишки "фазата на почивка" отнема най-малко дванадесет часа, а самата митоза продължава от 30 минути до един час. Клетките, които изграждат корена на боба фаба, се делят на всеки 25 часа, като М фазата (митоза) продължава около половин час.

Какво е интерфаза за клетъчния живот? Това е най-важният период, без който не само митозата, но и клетъчният живот като цяло би бил невъзможен.