Клеточный цикл

Биологическое значение деле­ния клеток. Новые клетки возника­ют в результате деления уже существующих. Если делится одно­клеточный организм, то из него об­разуются два новых, то есть деление клеток обеспечивает непрерывность жизни.

Многоклеточ­ный организм также начинает свое развитие чаще всего с одной-единственной клетки. Путем многократ­ных делений образуется огромное количество клеток, которые и состав­ляют организм.

Жизненный, или клеточный, цикл — это жизнь клетки от момента ее появления в процессе деления материнской клетки и до ее собствен­ного деления, включая это деление, или гибели. В течение этого цикла клетка растет, видоизменяется таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме (этот процесс называется дифференцировкой клетки), затем она выполняет свои функции в течение опре­деленного времени, по истечении которого делится, образуя новые клетки, или отмирает.

У различных видов организмов клеточный цикл занимает разное время: у бактерий — около 20 мин, у инфузории-ту­фельки — от 10 до 20 ч. Клетки тканей многоклеточных организмов на ранних стадиях развития делятся очень часто, а затем клеточ­ные циклы значительно удлиняются. Например, сразу после рожде­ния животных нервные клетки головного мозга делятся часто: 80 % головного мозга форми­руется именно тогда. Однако большинство из этих клеток быстро те­ряет способность к делению, и часть из них доживает не делясь до естественной смерти животного.

Обязательным компонентом[VV88] каждого клеточного цикла являет­ся митотический цикл, который включает в себя подготовку клетки к процессу деления и митоз (рис.).

Интерфаза — это процесс подготовки клетки к делению. Она состоит из трех периодов: пресинтетического, синтетического и постсинтетического.

Пресинтетический период (G) — наиболее продолжительная часть интерфазы. Он может продолжаться у различных видов клеток от 2 — 3 ч до нескольких суток. Этот период следует сразу же за пред­шествующим делением[VV89], во время него клетка растет, накапливая энергию и вещества для последующего удвоения ДНК.

Синтетический период (S), который обычно длится 6 — 10 ч, включает в себя удвоение ДНК, синтез белков, необходимых для формирова­ния хромосом, а также увеличение количества РНК. К концу этого пе­риода каждая хромосома уже состоит из двух идентичных хроматид, соединенных друг с другом в области центромеры. В этот же пе­риод удваиваются центриоли[VV90].

Удвоение молекулы ДНК называют также репликацией или ре­дупликацией. Во время репликации часть молекулы «материнской» ДНК раскручивается на две нити с помощью специального фермента (рис.), причем это достигается разрывом водородных связей меж­ду комплементарными азотистыми основаниями. Далее к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид. Таким образом, образуются две двуцепочечные молекулы ДНК, в состав каждой из которых входят одна цепочка «материнской» молекулы и одна синтезирован­ная («дочерняя») цепочка. Такой способ удвоения был на­зван полуконсервативным. Образовавшиеся две молекулы ДНК абсолютно идентичны.

Раскрутить для репликации сразу всю длинную молекулу ДНК невозможно. Поэтому репликация начинается сразу в нескольких местах молекулы ДНК. При этом синтезируются несколько коротких фрагментов «дочерней» нити, которые при помощи ферментов лигаз сшива­ются в единую длинную молекулу.

Удвоение ДНК — сложный процесс, протекающий с участием нескольких ферментов и требующий затрат энергии.

Доказательства участия ферментов в синтезе ДНК были получены американским ученым А. Корнбергом. В 1956 г. ему удалось осуществить синтез ДНК в про­бирке, добавляя туда матрицу — ДНК, «строительный материал» — нуклеотидтрифосфаты и экстракт белков из бактерий. Затратив восемь лет труда и переработав сотни килограмм бактерий, Корнберг получил в чистом виде фермент, осуществляющий матричный синтез ДНК — ДНК-полимеразу.

Для репликации нужно сначала расплести двойную спираль ДНК. Это тоже делают специальные фермен­ты — геликазы, разрывающие водородные связи между основаниями. Но расплетенные участки более чувстви­тельны к повреждающим факторам — и к облучению, и к многим химическим веществам, вызывающим мута­ции. Чтобы они оставались в незащищенном состоянии как можно меньше, синтез на обеих цепочках идет одно­временно.

Новые нуклеотиды присоединяются только к гидроксилу третьего атома рибозы[VV91]. Цепи и ДНК, и РНК мо­гут удлиняться лишь таким способом, т. е. только в одном направлении.

Построение новой полинуклеотидной цепочки про­исходит в соответствии с принципом комплементарности: напротив аденина будет встраиваться тимин, напро­тив гуанина — цитозин и т. п. Тут, правда, возникает проблема, поскольку цепь может наращиваться только с одного конца. Когда цепь ДНК расплетается, на одной из цепочек оказывается свободным 3'-конец, а на дру­гой — 5'-конец. Молекула ДНК-полимеразы на первой цепочке идет сразу вслед за расплетающими фермента­ми и синтезирует свою цепочку без всяких проблем. На этой цепочке новые нуклеотиды просто постоянно до­бавляются, и синтез продвигается вперед. Но вторая цепь направлена в другую сторону! Как же быть?

Оказывается, на ней синтез ДНК идет прерывисто (рис.). Когда молекула ДНК достаточно расплетется, молекула ДНК-полимеразы садится на некоторую точку расплетенного участка второй цепочки и синтезирует комплементарную ей цепь ДНК в направлениипротивоположном лидирующей цепи. Эта молекула ДНК-полимеразы двигается не к месту расплетания, как на первой цепочке, а напротив, к свободному концу. После того, как молекула ДНК расплетется еще сильнее, новая молекула ДНК-полимеразы садится на новую точку рас­плетенного участка и двигается к синтезированному ранее участку. Нуклеотиды, как и положено, присоеди­няются в нужном направлении, образуя новые коротень­кие цепочки [VV92] (их называют «фрагменты Оказаки»). Ког­да ДНК-полимераза достроит один фрагмент и «упрет­ся» в синтезированный ранее другой, она отделится от ДНК. Затем она (или другая молекула ДНК-полимера­зы) сможет опять сесть на вновь расплетенный участок и построить еще один фрагмент Оказаки. Отдельные фрагменты Оказаки соединяются друг с другом особым ферментом — ДНК-лигазой. Структура, которая обра­зуется при репликации ДНК, называется репликативной вилкой (см. рис.).

На рис. показан участок расплетенной ДНК. По верхней цепочке ДНК-полимераза двигается вправо к месту расплетения, непрерывно достраивая вторую (комплементарную) цепочку ДНК; направление синтеза показано стрелкой. По нижней цепочке молекулы ДНК-полимеразы двигаются налево, достраивая отдельные фрагменты комплементарной цепочки; здесь представлены два таких фрагмента (фрагменты Оказаки). Таким образом, синтез на обеих цепочках направлен от 3'-кон­ца матричной цепочки к ее 5'-концу. Справа изображен нерасплетенный участок ДНК. На рис. показано, что исходная цепь ДНК расплелась дальше. По верхней цепочке ДНК-полимераза продолжает двигаться дальше (белая стрелка); на нижней цепочке возникает новый фрагмент Оказаки (белая стрелка). Растущий второй участок синтеза на нижней цепочке (его рост показан тоже белой стрелкой) достиг конца первого готового участка, и оба синтезированных фрагмента сшиваются ферментом лигазой.[VV93]

Постсинтетический период (G₂) наступает после удвоения хромосом. Он длится 2—5 ч; за это время накапливается энергия для предстоящего митоза и синтезируются белки микротрубочек, которые впоследствии образуют веретено деления. Теперь клетка может при­ступать к митозу.

Клеточный цикл представляет собой однонаправленный процесс, где клетка последовательно проходит разные его периоды, без их про­пуска или возврата к предыдущим стадиям.

Однако клетки могут выходить из цикла, пе­реходить в стадию покоя, или в G₀-период. В многоклеточных орга­низмах многие клетки теряют способность к размножению, теряют способность переходить из периода покоя в новый период деления, т.е. в G-период, который начинает путь клетки к ее делению. К таким клеткам относятся нейроны, кардиомиоциты, клет­ки хрусталика и многие другие. Существуют также органы с редко де­лящимися клетками; так, например, клетки печени могут возвращаться в митотический цикл через несколько месяцев покоя. Быстро размножаю­щиеся клетки взрослых организмов, такие как кроветворные, или базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки, могут входить в митотический цикл каждые 12—36 ч. Самые короткие митотические циклы, около 30 мин, наблюдаются при быстром дроблении яиц низших организмов (иглокожие, земноводные).

Нарушения последовательности нуклеотидов в ДНК — генные мутации. Подробнее о мутациях мы будем говорить позже. Здесь же рассмотрим только один из их типов — ген­ные мутации.[VV94] Изменения порядка расположения нуклеотидов в гене (а значит, изменение наследственной информа­ции) называются генными мутациями. Такое измене­ние порядка может возникать в результате выпадения пары оснований, вставки новой пары или в результате замены одной пары оснований на другую.

В некоторых участках ДНК порядок расположения нуклеотидов удивительно постоянен. Это приводит к сохранению целого ряда признаков (например, похо­жих белков у разных организмов) в течение многих миллионов лет. Большинство нарушений в структуре ДНК исправляются сложной системой ферментов ре­парации. Репарация (от лат. репарацио — восстановление) — восста­новление структуры ДНК, нарушенной во время репликации либо под действием физических или химических факторов (например, ультрафиолета или радиоактивных излучений). Репарация осуще­ствляется системой ферментов, которые узнают место повреждения, вырезают поврежденные участки ДНК и др. Иногда эта система не срабатывает, и тогда порядок нуклеотидов меняется. Особенно часто новый, измененный порядок нуклеотидов возникает в ходе удвоения ДНК. Мутации возникают постоянно и в лю­бых условиях среды у всех организмов. Мутации не всегда приводят к изменению структуры и функции образуемых белков; поэтому часто мутации не влияют на признаки и жизнеспособность организма; такие мутации называют нейтральными мутациями. Одна­ко многие мутации, приводящие к замене всего одной или нескольких аминокислот в белке, нарушают его функционирование и оказываются вредными. Такие мутации могут быть причиной наследственных болез­ней. Могут возникать и мутации, которые полезны для организма. Мутации всегда случайны (не направлены на приспособление к тем условиям, в которых они возникают).

s 1. Что такое клеточный цикл? 2. Что называется интерфазой? 3. Какие основные события происходят в G, S и G-периодах? 4. Каков набор хромосом клеток, находящихся в Gи G-периодах? 5. Что такое мутации и в каких случаях они возникают? 6. Всегда ли мутации приводят к изменению структуры белка, почему?

Дата добавления: 2014-01-04