Введение

Природа клеточного цикла прояснилась в результате изучения мутантных клеток, растущих и делящихся при низких температурах (34 градуса С для клеток млекопитающих, 23 градуса С для клеток дрожжей). У таких температурочувствительных мутантов обычно имеется один измененный белок, который функционирует только при низкой температуре. И у большинства таких мутантов рост нарушается вскоре после повышения температуры. Однако некоторые мутанты перестают расти лишь тогда, когда клетка достигает определенной стадии цикла, например, начала синтеза ДНК, деления ядра или цитокинеза. Мутанты по клеточному циклу лучше всего изучены у пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae: у них выделены мутанты по более чем 35 различным генам цикла клеточного деления (cell division cycle, cdc). На этих мутантах исследовали взаимосвязь между функциями определенных белков и клеточным циклом.

Согласно определения свободной энциклопедии 2008 года, клеточный цикл - это согласованная однонаправленная последовательность событий, в ходе которой клетка последовательно проходит его разные периоды без их пропуска или возврата к предыдущим стадиям. Клеточный цикл заканчивается делением исходной клетки на две дочерние клетки.

Целью данного реферативного исследования является раскрытие принципов клеточного цикла, особенностей и его значение.

Клеточный цикл, периоды

Клеточный цикл включает строго детерминированный ряд последовательных процессов, согласно позиции Hartwellа, 1995. Клетка должна между двумя последовательными делениями удвоить все свои компоненты и свою массу. Таким образом клеточный цикл составляют два периода:

1) период клеточного роста, называемый " интерфаза ", и

2) период клеточного деления, называемый " фаза М " (от слова mitosis). В свою очередь, в каждом периоде выделяют несколько фаз (рис.3).

Обычно интерфаза занимает не меньше 90% времени всего клеточного цикла. Например, у быстро делящихся клеток высших эукариот последовательные деления происходят один раз в 16-24 часа, и каждая фаза М длится 1-2 часа. Большая часть компонентов клетки синтезируется на протяжении всей интерфазы, это затрудняет выделение в ней отдельных стадий по мнению Pardee, 1989. В интерфазе выделяют фазу G1, фазу S и фазу G2. Период интерфазы, когда происходит репликация ДНК клеточного ядра, был назван " фаза S " (от слова synthesis). Период между фазой М и началом фазы S обозначен как фаза G1 (от слова gap - промежуток), а период между концом фазы S и последующей фазой М - как фаза G2. Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии: митоз (деление клеточного ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы). В свою очередь, митоз делится на пять стадий (рис.3), In vivo эти шесть стадий образуют динамическую последовательность. Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Повторяющаяся совокупность событий, обеспечивающих деление эукариотических клеток, получила название клеточного цикла. Продолжительность клеточного цикла зависит от типа делящихся клеток. Некоторые клетки, например, нейроны человека, после достижения стадии терминальной дифференцировки прекращают свое деление вообще. Клетки легких, почек или печени во взрослом организме начинают делиться лишь в ответ на повреждение соответствующих органов. Клетки эпителия кишечника делятся на протяжении всей жизни человека. Даже у быстро пролиферирующих клеток подготовка к делению занимает около 24 ч. Клеточный цикл разделяют на стадии: Митоз - М-фаза, деление клеточного ядра. G1 -фаза период перед синтезом ДНК. S-фаза - период синтеза (репликации ДНК). G2-фаза - период между синтезом ДНК и митозом. Интерфаза - период, включающий в себя G1 -, S- и G2-фазы. Цитокинез - деление цитоплазмы. Точка рестрикции, R-point - время в клеточном цикле, когда продвижение клетки к делению становится необратимым. G0 фаза - состояние клеток, достигших монослоя или лишенных фактора роста в ранней G1 фазе.

Делению клетки (митозу или мейозу) предшествует удвоение хромосом, которое происходит в периоде S клеточного цикла (рис.1). Период обозначают первой буквой слова synthesis - синтез ДНК. С момента окончания периода S до завершения метафазы ядро содержит в четыре раза больше ДНК, чем ядро сперматозоида или яйцеклетки, а каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. Во время митоза хромосомы конденсируются и в конце профазы или начале метафазы становятся различимыми при оптической микроскопии. Для цитогенетического анализа обычно используют препараты именно метафазных хромосом.

В начале анафазы центромеры гомологичных хромосом разъединяются, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам митотического веретена. После того как к полюсам отойдут полные наборы хроматид (с этого момента их называют хромосомами), вокруг каждого из них образуется ядерная оболочка, формируя ядра двух дочерних клеток (разрушение ядерной оболочки материнской клетки произошло в конце профазы). Дочерние клетки вступают в период G1, и только при подготовке к следующему делению они переходят в период S и в них происходит репликация ДНК.

Клетки со специализированными функциями, длительное время не вступающие в митоз или вообще утратившие способность к делению, находятся в состоянии, называемом периодом G0. Большинство клеток в организме диплоидные - то есть имеют два гаплоидных набора хромосом (гаплоидный набор - это число хромосом в гаметах, у человека он составляет 23 хромосомы, а диплоидный набор хромосом - 46). В гонадах предшественники половых клеток сначала претерпевают ряд митотических делений, а затем вступают в мейоз - процесс образования гамет, состоящий из двух последовательных делений. В мейозе гомологичные хромосомы спариваются (отцовская 1-я хромосома с материнской 1-й хромосомой и т. д.), после чего в ходе так называемого кроссинговера происходит рекомбинация, то есть обмен участками между отцовской и материнской хромосомами. В результате качественно изменяется генетический состав каждой из хромосом.

В первом делении мейоза расходятся гомологичные хромосомы (а не сестринские хроматиды, как в митозе), вследствие чего образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, каждая из которых содержит по 22 удвоенные аутосомы и одной удвоенной половой хромосоме. Между первым и вторым делениями мейоза нет периода S (рис.2, справа), а в дочерние клетки во втором делении расходятся сестринские хроматиды. В итоге образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, в которых вдвое меньше ДНК, чем в диплоидных соматических клетках в периоде G1, и в 4 раза меньше - чем в соматических клетках по окончании периода S.

При оплодотворении число хромосом и содержание ДНК у зиготы становится таким же, как в соматической клетке в периоде G1. Период S в зиготе открывает путь к регулярному делению, характерному для соматических клеток.

Клеточный цикл - это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели.

Длительность клеточного цикла

Длительность клеточного цикла у разных клеток варьируется. Быстро размножающиеся клетки взрослых организмов, такие как кроветворные или базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки, могут входить в клеточный цикл каждые 12-36 ч. Короткие клеточные циклы (около 30 мин) наблюдаются при быстром дроблении яиц иглокожих, земноводных и других животных. В экспериментальных условиях короткий клеточный цикл (около 20 ч) имеют многие линии клеточных культур. У большинства активно делящихся клеток длительность периода между митозами составляет примерно 10-24 ч.

Фазы клеточного цикла

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

Период клеточного роста, называемый «интерфаза», во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

Периода клеточного деления, называемый «фаза М» (от слова mitosis - митоз).

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

G 1 -фазы (от англ. gap - промежуток), или фазы начального роста, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов;

S-фазы (от англ. synthesis - синтез), во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра, также происходит удвоение центриолей (если они, конечно, есть).

G 2 -фазы, во время которой идет подготовка к митозу.

У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать G 1 фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G 0 .

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии:

кариокинез (деление клеточного ядра);

цитокинез (деление цитоплазмы).

В свою очередь, митоз делится на пять стадий.

Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Регуляция клеточного цикла

Закономерная последовательность смены периодов клеточного цикла осуществляется при взаимодействии таких белков, как циклин-зависимые киназы и циклины. Клетки, находящиеся в G 0 фазе, могут вступать в клеточный цикл при действии на нихфакторов роста. Разные факторы роста, такие как тромбоцитарный, эпидермальный, фактор роста нервов, связываясь со своими рецепторами, запускают внутриклеточный сигнальный каскад, приводящий в итоге к транскрипции генов циклинов ициклин-зависимых киназ. Циклин-зависимые киназы становятся активными лишь при взаимодействии с соответствующими циклинами. Содержание различных циклинов в клетке меняется на протяжении всего клеточного цикла. Циклин является регуляторной компонентой комплекса циклин-циклин-зависимая киназа. Киназа же является каталитическим компонентом этого комплекса. Киназы не активны без циклинов. На разных стадиях клеточного цикла синтезируются разные циклины. Так, содержание циклина B в ооцитах лягушки достигает максимума к моменту митоза, когда запускается весь каскад реакций фосфорилирования, катализируемых комплексом циклин-В/циклин-зависимая киназа. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами.

Жизненный цикл клетки , или клеточный цикл , – это промежуток времени, в течение которого существует как единица, т. е. период жизни клетки. Он длится от момента появления клетки в результате деления ее материнской и до конца деления ее самой, когда она «распадается» на две дочерние.

Бывают случаи, когда клетка не делится. Тогда ее жизненный цикл - это период от появления клетки до гибели. Обычно не делятся клетки ряда тканей многоклеточных организмов. Например, нервные клетки и эритроциты.

Принято в жизненном цикле клеток эукариот выделять ряд определенных периодов, или фаз. Они характерны для всех делящихся клеток. Фазы обозначают G 1 , S, G 2 , M. Из фазы G 1 клетка может уходить в фазу G 0 , оставаясь в которой, она не делится и во многих случаях дифференцируется. При этом некоторые клетки могут возвращаться из G 0 в G 1 и пройти по всем этапам клеточного цикла.

Буквы в аббревиатурах фаз – это первые буквы английских слов: gap (промежуток), synthesis (синтез), mitosis (митоз).

Красным флуоресцентным индикатором клетки подсвечиваются в фазу G1. Остальные фазы клеточного цикла - зеленым.

Период G 1 – пресинтетический – начинается сразу как только клетка появилась. В этот момент она меньше по размеру, чем материнская, в ней мало веществ, недостаточно количество органоидов. Поэтому в G 1 происходит рост клетки, синтез РНК, белков, построение органелл. Обычно G 1 – самая длительная фаза жизненного цикла клетки.

S – синтетический период . Самый главный его отличительный признак – удвоение ДНК путем репликации . Каждая хромосома становится состоящей из двух хроматид. В этот период хромосомы по-прежнему деспирализованы. В хромосомах, кроме ДНК, много белков-гистонов. Поэтому в S-фазу гистоны синтезируются в большом количестве.

В постсинтетический период – G 2 – клетка готовится к делению, обычно путем митоза. Клетка продолжает расти, активно идет синтез АТФ, могут удваиваться центриоли.

Далее клетка вступает в фазу клеточного деления – M . Здесь происходит деление клеточного ядра – кариокинез , после чего деление цитоплазмы – цитокинез . Завершение цитокинеза знаменует завершение жизненного цикла данной клетки и начало клеточных циклов двух новых.

Фаза G 0 иногда называют периодом «отдыха» клетки. Клетка «выходит» из обычного цикла. В этот период клетка может приступить к дифференциации и уже никогда не вернуться к обычному циклу. Также в фазу G 0 могут входить стареющие клетки.

Переход в каждую последующую фазу цикла контролируется специальными клеточными механизмами, так называемыми чекпоинтами – контрольными точками . Чтобы наступила следующая фаза, в клетке должно быть все готово для этого, в ДНК не содержаться грубых ошибок и др.

Фазы G 0 , G 1 , S, G 2 вместе формируют интерфазу - I .

Деление клетки - совокупность процессов, благодаря которым с одной материнской клетки образуется две или более дочерних клеток. Деление клеток является биологической основой жизни. В случае одноклеточных организмов благодаря делению клеток образуются новые организмы. У многоклеточных организмов с делением клеток связано бесполое и половое рорзмноження, рост и восстановление многих их структур. Первоочередной задачей деления клетки является передача наследственной информации следующему поколению. Клетки прокариот не имеют сформированного ядра, поэтому их деление клеток на две меньших дочерних, известный как бинарный разделение, осуществляется проще и быстрее. У эукариот выделяют несколько типов деления клеток:

митотический разделение - разделение, при котором с одной материнской клетки образуется две дочерних клетки с таким же набором хромосом (для соматических клеток)

мейотическое разделение - разделение, при котором с одной материнской клетки образуется четыре дочерних клетки с половинным (гаплоидным) набором хромосом (у организмов с половым размножением)

почкования - разделение, при котором с одной материнской клетки образуется две дочерних клетки, одна из которых по размерам превосходит другую (например, у дрожжей)

множественный разделение (шизогония) - разделение, при котором с одной материнской клетки образуется много дочерних клеток (например, у малярийного плазмодия).

Деление клетки является частью клеточного цикла. Клеточный цикл - это период существования клетки от одного деления к другому. Продолжительность этого периода различна у разных организмов (например, у бактерий - 20-30 мин, для лейкоцитов человека - 4-5 суток) и зависит от возраста, температуры, количества ДНК, типа клеток и тому подобное. У одноклеточных клеточный цикл совпадает с жизнью особи, а в многоклеточных организмов у клеток тела, которые непрерывно делятся, совпадает с митотическим циклом. Молекулярные процессы, происходящие в течение клеточного цикла, последовательны. Осуществление клеточного цикла в обратном направлении невозможно. Важной чертой всех эукариот является то, что перебигризних фаз клеточного цикла подлежит точной координации. Одна фаза клеточного цикла сменяется другой в строго установленном порядке, причем перед началом следующей фазы имеют должным образом завершиться все биохимические процессы, характерные для предыдущей фазы. Сбои в ходе клеточного цикла могут привести к хромосомных аномалий. Например, часть хромосом может быть потеряна, неадекватно распределена между двумя дочерними клетками и тому подобное. Подобные хромосомные нарушения характерны для раковых клеток. Существует два основных класса регуляторных молекул, которые направляют клеточный цикл. Это циклины и циклин-зависимые ферменты-киназы. Л. Гартвел, Р. Хант и П. Нерс получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии 2001 года при открытии этих центральных молекул в регуляции клеточного цикла.

Основными периодами клеточного цикла является интерфаза, митоз и цитокинез.

Клеточный цикл = Интерфаза + Митоз + Цитокинез

Интерфаза (лат. Inter - между, phasis - появление ) - период между делениями клетки или от деления клетки к ее гибели.

Продолжительность интерфазы, как правило, составляет до 90% времени всего клеточного цикла. Основным признаком интерфазных клеток является деспирализований состояние хроматина. У клеток, которые потеряли способность к делению (например, нейронов), интерфаза будет периодом от последнего митоза к смерти клетки.

Интерфаза обеспечивает рост клеток, удвоение молекул ДНК, синтез органических соединений, размножение митохондрий, в ней происходит накопление энергии в АТФ, которая необходима для обеспечению деления клеток.

Интерфаза включает пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды. Пресинтетический период (G1-фаза) - характеризуется ростом клетки. В этот период, который является самым продолжительным, клетки растут, дифференцируются и выполняют свои функции. В дифференцированных клеток, которые больше не делятся, в клеточном цикле отсутствует G1-фаза. Такие клетки находятся в периоде покоя (G0-фаза). Синтетический период (S-фаза) - это период, основным событием которого является удвоение ДНК. Каждая хромосома в этом периоде становится двохроматидною. Постсинтетический период (G2-фаза) - период непосредственной подготовки к митоза.

Основные события во время интерфазы

Митоз является основным типом разделения эукариотических клеток. Этот раздел состоит из 4 фаз (профаза, метафаза, анафаза, телофаза ) и продолжается от нескольких минут до 2-3 часов.

Цнтокинез (или цитотомия ) - разделение цитоплазмы эукариотической клетки, который происходит после того, как в клетке произошло разделение ядра (кариокинез ). В большинстве случаев цитоплазма и органеллы клетки распределяются между дочерними клетками примерно поровну. Исключением является оогенез, в процессе которого будущая яйцеклетка получает практически всю цитоплазму и органеллы, тогда как полярные тельца их почти не содержат и вскоре отмирают. В тех случаях, когда деление ядра не сопровождается цито- кинез, образуются многоядерные клетки (например, поперечнопосмуговани мышечные волокна). Цитокинез наступает сразу же после телофазы. В животных клетках во время телофазы плазматическая мембрана начинает вгинатись внутрь на уровне экватора (под действием микронитей) и разделяет клетку пополам. В растительных клетках на экваторе с микронитей образуется тельце - фрагмобласт. К нему перемещаются митохондрии, ЭПС, аппарат Гольджи, рибосомы. Пузырьки от аппарата Гольджи сочетаются и образуется клеточная пластинка, которая разрастается и сливается с клеточной стенкой материнской клетки.

БИОЛОГИЯ + Апоптоз - это явление программируемой смерти клеток. В отличие от другого вида клеточной смерти - некроза - при апоптоз и не происходит разрушения цитоплазматической мембраны и, соответственно, содержание клетки не попадает во внеклеточную среду. Характерным признаком является фрагментация ДНК специфическим ферментом ендонуклезою на фрагменты. Процесс апоптоза с необходимым для физиологического регулирования количества клеток организма, для уничтожения старых клеток, для осеннего листопада, для цитоксичнои действия лимфоцитов-киллеров, для эмбриогенеза организма и др. Нарушение нормального апоптоза клеток приводит к неконтролируемому размножению клеток и появления опухоли.