Жизненный цикл эукариотной клетки

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ЭУКАРИОТНОЙ КЛЕТКИ

Понятие жизненного цикла эукариотной клетки

Период существования клетки от момента образования ее в результате деления материнской клетки до оконча­ния следующего деления или до гибели называется жизненным циклом клетки, или клеточным циклом. У разных кле­ток многоклеточных организмов жиз­ненные циклы имеют существенные особенности. Это связано с дифферен­циацией и специализацией клеток многоклеточных организмов, в результате чего клетки приобретают разную спо­собность к делению. По этому признаку клетки многоклеточных подразделяют на три группы: непрерывно делящиеся клетки; клетки, сохранившие способ­ность к делению, но реализующие ее лишь под влиянием определенных воз­действий; клетки, необратимо утратив­шие способность к делению (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Характеристика клеток организма человека

Структурно-функциональные изменения клетки в митотическом цикле

В различные периоды интерфазы в клетке происходят существенные из­менения ее структуры и функциональ­ной активности, характеристика кото­рых представлена в таблицах:

Таблица

Характеристика структурно-функциональных изменений клетки

В различные периоды интерфазы

Период интерфазы	Содержание структурно-функциональных изменений
Пресинтетический (G1)	Завершение формирования ядрышка; интенсивный синтез РНК и белков; восстановление набора клеточных органелл, бывшего в материнской клетке до ее деления; синтез холестерола; образование химических предшественников ДНК; синтез ферментов, участвующих в репликации; рост клеток за счет увеличения объема цитоплазмы до достижения ими нормальных размеров
Синтетический (S)	Рост клетки в основном за счет роста ядра; репликация ДНК, которая запускается белками - активаторами S-фазы, поступающими в ядро из цитоплазмы, осуществляется сразу во многих точках, однако ни в одной из них этот процесс не инициируется более одного раза; интенсивный синтез белков-гистонов, необходимых для построения хроматина, в результате чего их количество удваивается; удвоение кинетохорных белков; удвоение центриоли клеточного центра и образование двух диплосом
Постсинтетический (G2)	Интенсивный синтез РНК. АТФ и белков, особенно тубулинов, участвующих в формировании веретена деления; увеличение массы цитоплазмы и рост объема ядра; трансформация центра организации микротрубочек: исчезновение сателлитов на материнской диплосоме, покрытие центриолей в обеих диплосомах фибриллярным гало, от которого в профазе начнут отрастать митотические микротрубочки; исчезновение цитоплазматических микротрубочек; усиление деления митохондрий; накопление и активация митоз стимулирующего фактора

Таблица

Характеристика структурно-функциональных изменений клетки

В различные стадии митоза

Стадия митоза	Содержание структурно-функциональных изменений
Профаза	Образование кинетохор — специальных белковых структур, имеющих вид пластинок или дисков, располагающихся в зонах центромер хромосом. На каждую сестринскую хроматиду приходится по одному кинетохору. В ходе митоза кинетохоры сестринских хроматид располагаются оппозитно, при этом каждый из них связывается со своим пучком микротрубочек; конденсация хромосом, которые укорачиваются, утолщаются и становятся видимыми в световой микроскоп. В начале профазы сестринские хроматиды связаны друг с другом на всем их протяжении с помощью белков-когезинов, а в конце — только в области центромеры (кинетохоров); прекращение синтеза РНК и распад ядрышек, что связано с инактивацией всех генов ядерного генома; резкое снижение синтеза белка; разрушение ядерной ламины в результате деполимеризации белков ламинов, фрагментация ядерной мембраны с образованием микропузырьков, исчезновение поровых комплексов; распад мембран эндоплазматического ретикулума и дезинтеграция аппа­рата Гольджи; разрушение цитоплазматических микротрубочек, составной части интер­фазного цитоскелета; образование аппарата деления, или веретена деления. В образовании веретена деления участвуют: полярные тельца и кинетохоры хромосом. Еще до разрушения ядра происходит деление центросомы и расхождение образовавшихся центросом с находящимися в них диплосомами к полюсам клетки, при этом каждая центросома становится полюсом, или полярным тельцем, образующегося веретена деления. От полюсов, являющихся центрами организации микротрубочек, своими «+» - концами отрастают микротрубочки. Вначале от полюсов отрастают радиальные или астральные микротрубочки, образуя вокруг них фигуру, которая получила название «лучистое сияние». После разрушения ядра часть микротрубочек от полюсов растет в направлении центромер хромосом, где связывается с кинетохорами (кинетохорные микротрубочки). Другая часть микротрубочек (межполюсные микротрубочки) растет к полюсам клетки, но до них не доходит. Рост микротрубочек, отходящих от центросом, обусловлен полимеризацией белка тубулина; активное перемещение хромосом и их расположение по экватору клетки. Механизм движения хромосом связан с непрерывным изменением длины кинетохорных микротрубочек, идущих в противоположных направлениях от сестринских хроматид каждой хромосомы и тянущих их в разные стороны
Метафаза	Завершение формирования веретена деления и выстраивание хромосом в экваториальной плоскости клетки таким образом, что центромерные участки их оказываются обращенными к центру веретена, а плечи — к пе­риферии. Такое расположение хромосом носит название «материнской звезды» (характерно только для клеток животных). Удержание хромосом в экваториальной плоскости обеспечивается равным натяжением кине­тохорных микротрубочек, отходящих от кинетохоров сестринских хро­матид к противоположным полюсам веретена
Анафаза	Разрушение белков-когезинов. соединяющих сестринские хроматиды, и быстрое, «как по команде», расхождение хромосом к полюсам клетки. При движении хромосом они принимают V-образную форму. Вершина их направлена в сторону полюсов деления, а плечи — к центру веретена. Движение хромосом осуществляется главным образом за счет энергии, выделяющейся при деполимеризации кинетохорных микротрубочек со стороны их «+»-конца. Дополнительное расхождение хромосом достигается за счет удаления полюсов друг от друга в результате удлинения полярных микротрубочек
Телофаза	Деконденсация хромосом и увеличение их объема; образование вокруг хромосом на каждом из полюсов клетки ядерной мембраны. Этот процесс начинается в местах контактов хромосом с мембранными пузырьками, в стенки которых встраиваются белковые комплексы ядерных пор. Через ядерные поры внутрь пузырьков проникают белки ламины, образующие ядерную ламину. Сливаясь между собой, такие пузырьки образуют двухмембранные компартменты, окружающие каждую хромосому, которые получили название микроядер, или кариомер. В результате слияния кариомер друг с другом в клетке образуются два дочерних ядра; формирование ядрышек. Этот процесс протекает после образования ядерной мембраны; восстановление мембранных структур клетки: эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи; разрушение митотического аппарата, распад митотического аппарата, распад астральных и полюсных микротрубочек; деление клеточного тела, или цитокинез. Указанный процесс осуществляется путем впячивания плазматической мембраны внутрь клетки с образованием борозды деления. Вначале появляется кортикальное скопление микрофиламентов, формирующих актомиозиновое сократимое кольцо. Затем взаимное скольжение актиновых и миозиновых компонентов кольца приводит к прогрессирующему вдавлению плазматической мембраны и к перетяжке клетки надвое.

Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает образование дочерних клеток, наследственная информация которых полностью идентична ин­формации материнской клетки. Это достигается путем репликации ДНК и удвоения хромосом в интерфазе мито­тического цикла, а также посредством равномерного распределения их в про­цессе митоза

Благодаря ми­тотическому циклу многоклеточных организмов осуществляются процессы роста, обновления тканей, регенерации и вегетативного размножения.

И их биологическое значение

На основе митотического цикла сформировался ряд механизмов, с по­мощью которых количество ядерной ДНК и, следовательно, скорость обменных процессов в клетке могут быть значительно увеличены. Один из них связан с репликацией ДНК, не сопрово­ждающейся в дальнейшем разрушени­ем ядерной оболочки, дезинтеграцией ядрышка, образованием веретена де­ления и цитокинезом, хотя хромосомы при этом проходят цикл спирализации и деспирализации, благодаря чему ко­личество их удваивается. Этот механизм митоза получил название эндомитоза, или эндоредупликации. Повторные эн­домитозы могут приводить к возникно­вению гигантских клеток с полиплоид­ным ядром, содержащим увеличенное количество ДНК. Примером таких кле­ток служат мегакариоциты (гигантские клетки костного мозга) человека, кото­рые начинают формировать кровяные пластинки, лишь достигнув определен­ного уровня полиплоидии (16—32n) в результате нескольких эндомитозов.

Другой механизм увеличения ко­личества ДНК в клетке, получивший название политении, заключается в многократной репликации ДНК, не со­провождающейся формированием хроматид на основе ее дочерних молекул, в результате чего образуются гигантские многонитчатые (политенные) хромосо­мы, превышающие по своим размерам обычные хромосомы в сотни и более раз. Такие хромосомы обнаруживают­ся, например, в неделящихся клетках слюнных желез некоторых насекомых. К увеличению содержания ДНК в клет­ке приводит митотическое деление ядра (кариокинез), не сопровождающееся разделением цитоплазмы (цитотомией), следствием чего является образование двухъ- и многоядерных клеток. При по­следующем митотическом делении такой двухъядерной клетки хромосомные наборы ядер объединяются в метафазе, приводя к образованию двух дочерних полиплоидных клеток. Например, на­личие полиплоидных тетра-(4n) и октаплоидных (8п) клеток — нормальное явление в некоторых органах человека (печень, поджелудочная железа, слюн­ные железы и др.).

Биологическое значение эндомито­за, политении и других механизмов, обе­спечивающих увеличение количества ДНК в клетке, состоит в том, что все они приводят к экстракопированию генов, в результате чего гены оказываются по­вторенными в клетке более чем 2 раза. За счет этого интенсифицируются об­менные процессы, протекающие в клер­ке, и достигается существенное усиление ее функциональной активности.

Регуляция клеточного цикла

Характеристика молекул,

Таблица 6.4

И связанные с этим эффекты

Название фосфорилируемых белков	Эффекты, связанные с фосфорилированием указанных белков
Гистон Н1 и другие хромосомные белки	Конденсация хромосом
Белки ядерной ламины и другие белки	Деполимеризация белков-ламинов и распад ядерной мембраны на фрагменты, замыкающиеся в микропузырьки, распад мембран ЭПС и комплекса Гольджи
Тубулины	Полимеризация тубулинов, рост микротрубочек и образование веретена деления
Миозины	Невозможность взаимодействия белков-миозинов с актином, в результате чего предупреждается преждевременное наступление цитотомии
Анафазастимулирующий фактор	активация анафазастимулирующего фактора и инактивация МСФ

В анафазу митоза под влиянием APF раз­рушаются белки-когезины, удерживаю­щие сестринские хроматиды, благодаря чему хроматиды получают возмож­ность расходиться к противоположным полюсам клетки. Под действием APF разрушается также циклин В, что при­водит к инактивации МСФ и к дефосфорилированию протеинфосфатазами белков, фосфорилированных в про- и метафазу митоза. В результате в телофазе происходит деконденсация хро­мосом, восстановление ядерных оболо­чек, на заключительном этапе телофазы осуществляется цитотомия. Иными словами, в телофазу митоза протекают процессы, сходные с событиями про- и метафазы митоза, но как бы с «обрат­ным знаком».

Таким образом, общий принцип дей­ствия молекулярных механизмов, регу­лирующих митотический цикл клетки, заключается в стимуляции комплексами циклин-Cdk процессов, свойственных «своей» фазе, ингибировании активно­сти комплексов циклин—Cdk предше­ствующей фазы и образовании или ак­тивации комплексов следующей фазы.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ЭУКАРИОТНОЙ КЛЕТКИ