Клеточный цикл: регуляция перехода от G1- к S-фазе. Клеточный цикл: регуляция перехода от G2 к фазе M

Что такое интерфаза? Термин произошел от латинского слова "интер", переводится как "между", и греческого "фазис" - период. Это важнейший период, во время которого клетка растет и копит питательные вещества, готовясь к следующему делению. Интерфаза занимает большую часть от всего клеточного цикла, до 90% всей жизни клетки приходится именно на нее.

Что такое интерфаза

Как правило, основная часть компонентов клеток наращивается на протяженности всей фазы, поэтому выделить в ней какие-то отдельные стадии довольно сложно. Тем не менее биологи разделили интерфазу на три части, ориентируясь на время репликации в ядре клетки.

Периоды интерфазы: фаза G(1), фаза S, фаза G(2). Пресинтетический период (G1), название которого произошло от английского gap, переводящегося как "интервал", начинается сразу после деления. Это весьма продолжительный период, длящийся от десяти часов до нескольких дней. Именно во время него происходит накопление веществ и подготовка к удвоению генетического материала: начинается синтез РНК, образуются необходимые белки.

Что такое интерфаза в своем последнем периоде? В пресинтетической фазе растет число рибосом, увеличивается площадь поверхности шероховатой эндоплазматической сети, а также появляются новые митохондрии. Клетка, потребляя много энергии, быстро растет.

Дифференцировавшиеся клетки, более не имеющие возможности делиться, пребывают в фазе покоя, которая называется G0.

Главный период интерфазы

Независимо от того, какие процессы происходят в клетке в интерфазе, каждая из подфаз важна для общей подготовки к митозу. Однако синтетический период можно назвать переломной точкой, ведь именно во время него удваиваются хромосомы и начинается непосредственная подготовка к делению. РНК продолжает синтезироваться, но сразу же соединяется с белками хромосом, начиная репликацию ДНК.

Интерфаза клетки в этой части длится от шести до десяти часов. В результате каждая из хромосом удваивается и уже состоит из пары сестринских хроматид, которые потом разойдутся по полюсам веретена деления. В синтетической фазе удваиваются центриоли, если они, конечно, имеются в клетке. В этот период хромосомы можно разглядеть в микроскоп.

Третий период

Генетически хроматиды абсолютно одинаковы, так как одна из них - материнская, а вторая - реплицированная с помощью матричной РНК.

Как только произошло полное удвоение всего генетического материала, начинается постсинтетический период, предшествующий делению. Далее следует образование микротрубочек, из которых впоследствии будет формироваться веретено деления, а хроматиды будут расходиться по полюсам. Также запасается энергия, ведь в период митоза синтез питательных веществ снижается. Продолжительность постсинтетического периода невысока, обычно длится всего несколько часов.

Контрольные точки

Во время клетка должна пройти через своеобразные контрольные точки - важные "отметки", после которых она переходит в другую стадию. Если по какой-то причине клетка не смогла миновать контрольную точку, то весь клеточный цикл замирает, и следующая фаза не начнется до тех пор, пока не будут устранены неполадки, мешавшие пройти через контрольный пункт.

Есть четыре основных точки, большинство из которых находятся как раз в интерфазе. Первый контрольный пункт клетка проходит в пресинтетической фазе, когда идет проверка интактности ДНК. Если все верно, то начинается синтетический период. В нем точка сверки - это проверка точности в репликации ДНК. Контрольная точка в постсинтетической фазе - это проверка повреждений или упущений на двух предыдущих точках. В этой фазе также проверяется, насколько полно произошла репликация и клетки. Не прошедшие эту проверку не допускаются к митозу.

Проблемы в интерфазе

Нарушение нормального клеточного цикла может привести не только к сбоям в митозе, но и к образованию твердых опухолей. Более того, это одна из основных причин их появления. Нормальное течение каждой фазы, как бы коротка та ни была, предопределяет успешное завершение последующих этапов и отсутствие неполадок. Опухолевые клетки имеют изменения в сверочных точках клеточного цикла.

Например, в клетке с поврежденной ДНК не наступает синтетический период интерфазы. Возникают мутации, в результате которых происходит потеря или изменения в генах белка р53. В клетках не происходит блокада клеточного цикла, и митоз начинается досрочно. Итогом подобных неполадок становится большое количество клеток-мутантов, большинство из которых нежизнеспособны. Однако те, что могут функционировать, дают начало злокачественным клеткам, которые могут делиться очень быстро за счет сокращения или отсутствия фазы отдыха. Характеристика интерфазы способствует тому, что злокачественные опухоли, состоящие из мутантных клеток, имеют возможность делиться так стремительно.

Продолжительность интерфазы

Приведем несколько примеров того, насколько больше в жизни клетки занимает период интерфазы, по сравнению с митозом. В эпителии тонкого кишечника обыкновенных мышей "фаза отдыха" занимает минимум двенадцать часов, а сам митоз длится от 30 минут до часа. Клетки, составляющие корешок конских бобов, делятся раз в 25 часов, причем фаза М (митоз) длится около получаса.

Что такое интерфаза для жизнедеятельности клетки? Это важнейший период, без которого невозможен был бы не только митоз, но и клеточная жизнедеятельность в целом.

1. Что такое клеточный цикл?

Клеточный цикл – существование клетки от момента её образования в процессе деления материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели. Клеточный цикл состоит из интерфазы и митоза (деления клетки).

2. Что называется интерфазой? Какие основные события происходят в G 1 -, S- и G 2 -периодах интерфазы?

Интерфаза – часть клеточного цикла между двумя последовательными делениями. В течение всей интерфазы хромосомы неспирализованы и находятся в ядре клетки в виде хроматина. Как правило, интерфаза состоит из трёх периодов:

● Пресинтетический период (G 1) – наиболее продолжительная часть интерфазы (от 2 – 3 ч до нескольких суток). Во время этого периода клетка растёт, в ней увеличивается количество органоидов, накапливается энергия и вещества для последующего удвоения ДНК. В течение G 1 -периода каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Набор хромосом (n) и хроматид (с) диплоидной клетки в G 1 -периоде – 2n2c.

● В синтетическом периоде (S) происходит удвоение ДНК (репликация), а также синтез белков, необходимых для последующего формирования хромосом. В этот же период происходит удвоение центриолей. К концу S-периода каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в конце S-периода (т.е. после репликации) – 2n4c.

● Во время постсинтетического периода (G 2) клетка накапливает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления). В течение всего G 2 -периода набор хромосом и хроматид в клетке – 2n4c.

По завершению интерфазы начинается деление клетки.

3. Для каких клеток характерен G 0 -период? Что происходит в этот период?

В отличие от постоянно делящихся клеток (например, клеток росткового слоя эпидермиса кожи, красного костного мозга, слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта животных, клеток образовательной ткани растений), большинство клеток многоклеточного организма встают на путь специализации и после прохождения части G 1 -периода переходят в период покоя (G 0 -период).

Клетки, пребывающие в G 0 -периоде, выполняют свои специфические функции в организме, в них протекают процессы обмена веществ и энергии, но не происходит подготовка к репликации. Такие клетки, как правило, навсегда утрачивают способность к делению. Примерами могут служить нейроны, клетки хрусталика и многие другие.

Однако некоторые клетки, находящиеся в G 0 -периоде (например, лейкоциты, клетки печени), могут выходить из него и продолжать клеточный цикл, пройдя все периоды интерфазы и митоз. Так, клетки печени могут снова приобретать способность к делению спустя несколько месяцев пребывания в периоде покоя.

4. Каким образом осуществляется репликация ДНК?

Репликация – удвоение ДНК, одна из реакций матричного синтеза. В ходе репликации специальные ферменты разъединяют две цепи исходной материнской молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами. С разошедшимися цепями связываются молекулы ДНК-полимеразы – главного фермента репликации. Затем молекулы ДНК-полимеразы начинают двигаться вдоль материнских цепей, используя их в качестве матриц, и синтезировать новые дочерние цепи, подбирая для них нуклеотиды по принципу комплементарности.

В результате репликации образуются две идентичные двуцепочечные молекулы ДНК. В состав каждой из них входит одна цепь исходной материнской молекулы и одна вновь синтезированная дочерняя цепь.

5. Одинаковы ли молекулы ДНК, входящие в состав гомологичных хромосом? В состав сестринских хроматид? Почему?

Молекулы ДНК в составе сестринских хроматид одной хромосомы идентичны (имеют одинаковую последовательность нуклеотидов), т.к. они образуются в результате репликации исходной материнской молекулы ДНК. В каждой из двух молекул ДНК, входящих в состав сестринских хроматид, содержится одна цепь исходной материнской молекулы ДНК (матрица) и одна новая, дочерняя цепь, синтезированная на этой матрице.

Молекулы ДНК в составе гомологичных хромосом неодинаковы. Это связано с тем, что гомологичные хромосомы имеют разное происхождение. В каждой паре гомологичных хромосом одна является материнской (унаследована от матери), а другая – отцовской (унаследована от отца).

6. Что представляет собой некроз? Апоптоз? В чём заключается сходство и различия некроза и апоптоза?

Некроз – отмирание клеток и тканей в живом организме, вызванное действием повреждающих факторов различной природы.

Апоптоз – запрограммированная гибель клеток, регулируемая организмом (так называемое "клеточное самоубийство").

Сходство:

● Некроз и апоптоз представляют собой два типа гибели клеток.

● Протекают на всех стадиях жизни организма.

Различия:

● Некроз – случайная (незапланированная) гибель клеток, причиной которой может быть воздействие высоких и низких температур, ионизирующих излучений, различных химических веществ (в том числе токсинов), механическое повреждение, нарушение кровоснабжения или иннервации тканей, аллергическая реакция. Апоптоз изначально запланирован организмом (генетически запрограммирован) и регулируется им. При апоптозе клетки погибают без непосредственного повреждения, в результате получения ими специфического молекулярного сигнала – "приказа о самоликвидации".

● В результате апоптоза погибают отдельные конкретные клетки (только те, которые получили "приказ"), а некротической гибели обычно подвергаются целые группы клеток.

● При некротической гибели в повреждённых клетках нарушается проницаемость мембран, останавливается синтез белков, прекращаются другие процессы обмена веществ, происходит разрушение ядра, органоидов и, наконец, всей клетки. Обычно отмирающие клетки подвергаются атаке лейкоцитов, и в зоне некроза развивается воспалительная реакция. При апоптозе клетка распадается на отдельные фрагменты, окруженные плазмалеммой. Обычно фрагменты погибших клеток поглощаются лейкоцитами или соседними клетками без запуска воспалительной реакции.

И (или) другие существенные признаки.

7. Каково значение запрограммированной гибели клеток в жизни многоклеточных организмов?

Одной из главных функций апоптоза в многоклеточном организме является обеспечение клеточного гомеостаза. Благодаря апоптозу поддерживается правильное соотношение численности клеток различных типов, обеспечивается обновление тканей, удаление генетически дефектных клеток. Апоптоз как бы прерывает бесконечность клеточных делений. Ослабление апоптоза нередко приводит к развитию злокачественных опухолей, к аутоиммунным заболеваниям (патологическим процессам, при которых развивается иммунная реакция против собственных клеток и тканей организма).

8. Как вы думаете, почему у подавляющего большинства живых организмов основным хранителем наследственной информации является ДНК, а РНК выполняет лишь вспомогательные функции?

Двуцепочечность молекулы ДНК лежит в основе процессов её самоудвоения (репликации) и ликвидации повреждений – репарации (неповреждённая цепь служит матрицей для восстановления повреждённой цепи). Являясь одноцепочечной, РНК не способна к репликации, затруднены процессы её репарации. Кроме того, наличие дополнительной гидроксогруппы у рибозы (по сравнению с дезоксирибозой) делает РНК более подверженной гидролизу, чем ДНК.

Среди всех интересных и достаточно сложных тем в биологии стоит выделить два процесса деления клеток в организме – мейоз и митоз . Сначала может показаться, что эти процессы одинаковые, поскольку в обоих случаях происходит деление клеток, но на самом деле между ними существует большая разница. В первую очередь, нужно разобраться с митозом. Что этот процесс из себя представляет, что такое интерфаза митоза и какую роль они играют в человеческом организме? Подробнее об этом и пойдет речь в данной статье.

Сложный биологический процесс, который сопровождается делением клеток и распределением хромосом между этими клетками – все это можно сказать о митозе. Благодаря ему, между дочерними клетками организма равномерно распределяются хромосомы, в которых содержится ДНК.

Существует 4 основные фазы процесса митоза. Все они связаны между собой, поскольку фазы плавно переходят из одной на другую. Распространенность митоза в природе обусловлена тем, что именно он участвует в процессе деления всех клеток, среди которых мышечные, нервные и так далее.

Коротко об интерфазе

Перед попаданием в состояние митоза клетка, которая разделяется, переходит в период интерфазы, то есть растет. Длительность интерфазы может занимать более 90% всего времени активности клетки в обычном режиме .

Интерфаза делится на 3 основных периода:

• фаза G1;
• S-фаза;
• фаза G2.

Все они проходят в определенной последовательности. Рассмотрим каждую из этих фаз отдельно.

Интерфаза — основные составляющие (формула)

Фаза G1

Этот период характеризуется подготовкой клетки к делению. Она увеличивается в объемах для дальнейшей фазы синтеза ДНК.

S-фаза

Это следующий этап в процессе интерфазы, при котором происходит деление клеток организма. Как правило, синтез большей части клеток происходит на небольшой промежуток времени. После деления клетки не увеличиваются в размерах, а начинается последняя фаза.

Фаза G2

Финальный этап интерфазы, на протяжении которого клетки продолжают синтезировать белки, увеличиваясь при этом в размерах. В этот период в клетке по-прежнему есть нуклеолы. Также в последней части интерфазы происходит дублирование хромосом, а поверхность ядра в это время покрывается специальной оболочкой, имеющей защитную функцию.

На заметку! По завершению третьей фазы наступает митоз. Он тоже включает в себя несколько стадий, после которых происходит деление клетки (этот процесс в медицине называется цитокинезом).

Стадии митоза

Как уже отмечалось ранее, митоз делится на 4 стадии, но иногда их может быть и больше. Ниже представлены основные из них.

Таблица. Описание основных фаз митоза.

Название фазы, фото	Описание
	Во время профазы происходит спирализация хромосом, в результате чего они принимают скрученную форму (она более компактная). Останавливаются все синтетические процессы в клетке организма, поэтому рибосомы уже не вырабатываются.
	Многие специалисты не выделяют прометафазу как отдельную фазу митоза. Нередко все процессы, которые в ней происходят, относят к профазе. В этот период цитоплазма окутывает хромосомы, которые свободно перемещаются по клетке до определенного момента.
	Следующая фаза митоза, которая сопровождается распределением на экваториальной плоскости конденсированных хромосом. В этот период происходит обновление микротрубочек на постоянной основе. При метафазе хромосомы расположены так, что их кинетохоры находятся в ином направлении, то есть направлены к противоположным полюсам.
	Данная фаза митоза сопровождается отделением хроматид каждой из хромосом друг от друга. Нарастание микротрубочек прекращается, они теперь начинают разбираться. Анафаза длится недолго, но за этот промежуток времени клетки успевают разойтись ближе к разным полюсам в примерно равном количестве.
	Это последняя стадия, на протяжении которой начинается деконденсация хромосом. Эукариотические клетки завершают свое деление, а вокруг каждого набора хромосом человека образовывается специальная оболочка. При сокращении сократительного кольца происходит разделение цитоплазмы (в медицине этот процесс называется цитотомией).

Важно! Длительность полного процесса митоза, как правило, составляет не больше 1,5-2 часов. Продолжительность может меняться в зависимости от вида разделяемой клетки. Также на длительность процесса влияют и внешние факторы, такие как световой режим, температура и так далее.

Какую биологическую роль играет митоз?

Теперь попробуем разобраться с особенностями митоза и его важностью в биологическом цикле. В первую очередь, он обеспечивает многие процессы жизнедеятельности организма, среди которых – эмбриональное развитие .

Также митоз отвечает за восстановление тканей и внутренних органов организма после различных видов повреждения, в результате чего происходит регенерация. В процессе функционирования клетки постепенно отмирают, но с помощью митоза структурная целостность тканей постоянно поддерживается.

Митоз обеспечивает сохранение определенного количества хромосом (оно соответствует числу хромосом в материнской клетке).

Видео – Особенности и виды митоза

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.

В S-фазе происходит удвоение хромосом и центросом (клеточных центров).

Основные события

G 1 -фаза

Фаза G 1 наиболее важна с точки зрения контроля условий, в которых находится клетка. Её продолжительность в значительной мере определяется внешними условиями и сигналами от других клеток. Если условия не благоприятны для деления, то клетка задерживает прохождение через фазу G 1 и даже может уйти в особое покоящееся состояние - G 0 -фазу . В этом состоянии клетки могут пребывать дни, недели и даже годы до возобновления пролиферации . Многие клетки находятся в G 0 вплоть до собственной смерти или смерти организма. В ранней фазе G 1 есть важная контрольная точка клеточного цикла , известная как точка рестрикции у млекопитающих или Старт у дрожжей . Если условия благоприятны и клетка получает от соседей сигналы роста и деления, то клетки проходят эту точку и после неё становятся коммитированными к удвоению ДНК, даже если внешние сигналы роста и деления исчезают .

В позднем митозе и G 1 -фазе начинается процесс инициации репликации ДНК: на ориджинах репликации (точках начала репликации) собирается мультибелковый пререпликативный комплекс . Иногда этот этап называют авторизацией (licensing) точек начала репликации, потому что инициация удвоения ДНК затрагивает только те точки, с которыми связан пререпликативный комплекс .

S-фаза

В S-фазе, наряду с ростом клетки, происходят два важных события: удваиваются хромосомы и центросомы. На удвоение хромосом приходится значительная часть клеточного цикла. Репликация ДНК активируется ровно один раз в клеточный цикл специальными циклинзависимыми киназами . В S-фазе компоненты пререпликативного комплекса, собравшегося на ориджинах репликации в фазе G 1 , инициируют сборку более крупного комплекса - преинициаторного комплекса. Он расплетает спираль ДНК и загружает на неё ДНК-полимеразы и другие белки репликации ДНК. После сборки преинициаторного комплекса компоненты пререпликативного комплекса диссоциируют , и сборка этого комплекса становится невозможной до следующей G 1 -фазы. Таким образом, точки начала репликации могут быть активированы только один раз за цикл .

Удвоение центросом начинается с инициации формирования новых центриолей около бывших дочерней и материнской центриолей при переходе клетки из фазы G 1 в S-фазу. В ходе фаз S и G 2 процентриоли растут до тех пор, пока не достигнут размеров исходных центриолей. При окончании роста образуется диплосома - одна из предшествующих центриолей с новосинтезированной центриолью, причём бывшая дочерняя центриоль становится материнской, а бывшая материнская центриоль сохраняет свой статус. В диплосоме центриоли перпендикулярны друг другу. По мере прохождения митоза расстояние между материнской и дочерней центриолями в каждой диплосоме увеличивается до тех пор, пока к концу анафазы диплосомы не разделяются. При разделении центриолей в диплосоме каждая из них окружается перицентриолярным материалом . Описанная последовательность событий составляет центросомный цикл .

G 2 -фаза

Фаза G 2 - это период быстрого клеточного роста и синтеза белка , в ходе которого клетка готовится к последующему делению . Интересно, что G 2 -фаза не является необходимой: клетки некоторых типов, например, клетки зародыша лягушки Xenopus и некоторых раковых опухолей переходят к митозу сразу после удвоения ДНК, то есть S-фазы. Механизмы регуляции фазы G 2 изучены недостаточно. По одной из гипотез, продолжительность G 2 -фазы регулируется размером клетки. Такой механизм контроля был описан у дрожжей Schizosaccharomyces pombe . Биохимически фаза G 2 завершается, когда достигается пороговая концентрация активного комплекса циклина B1 с циклинзависимой киназой 1 (Cdk1), также известного как фактор стимуляции созревания (англ. Maturation promoting factor ). В фазе G 2 имеется контрольная точка, которая останавливает клетки в фазе G 2 при обнаружении повреждений в ДНК. Этот эффект достигается ингибированием активности Cdk1 .

Видео по теме

Примечания

1. , с. 1623.
2. , с. 1642.
3. Figure 1 . Aurora-A: the maker and breaker of spindle poles . Journal of Cell Science. Проверено 11 декабря 2012. Архивировано 11 мая 2012 года.
4. Chrétien D. , Buendia B. , Fuller S. D. , Karsenti E. Reconstruction of the centrosome cycle from cryoelectron micrographs. (англ.) // Journal of structural biology. - 1997. - Vol. 120, no. 2 . - P. 117-133. - DOI :10.1006/jsbi.1997.3928 . - PMID 9417977 . [исправить ]
5. Kuriyama R. , Borisy G. G. Centriole cycle in Chinese hamster ovary cells as determined by whole-mount electron microscopy. (англ.) // The Journal of cell biology. - 1981. - Vol. 91, no. 3 Pt 1 . - P. 814-821. - PMID 7328123 . [исправить ]
6. Vorobjev I. A. , Chentsov Yu S. Centrioles in the cell cycle. I. Epithelial cells. (англ.) // The Journal of cell biology. - 1982. - Vol. 93, no. 3 . - P. 938-949. -