Клеточный цикл
Рост многоклеточного организма осуществляется за счет деления клеток. Основным типом клеточного деления является митоз. Клетки, которые делятся через некоторые промежутки времени, находятся в клеточном цикле. Он отражает череду событий в клетке от начала митоза до следующего деления. Промежуток времени между двумя последовательными митозами называется интерфазой. Таким образом, клеточный цикл подразделяется на митоз и интерфазу (рис. 1.4).
Митоз происходит в течение 1,5–2 часов, интерфаза во много раз более продолжительна. В это время клетка очень активна. И в ядре, и в цитоплазме происходят синтетические процессы. Синтезируются нуклеиновые кислоты, белки, клеточные мембраны, образуются разнообразные органоиды. Однако все процессы происходят не хаотично, а в определенной последовательности. В связи с этим интерфазу подразделяют на три периода: G1, S, G2 (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схематическое изображение клеточного цикла (по Епифановой, 2003). М – митоз; G1, S, G2 периоды цикла; вместе они составляют интерфазу.
Первый период – G1, он наступает после окончания митоза. Этот период называют также периодом роста клетки, постмитотическим, или пресинтетическим. Дело в том, что в результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние. Они меньше исходной материнской клетки, следовательно, им нужно достичь определенного размера. Это возможно только в результате активных процессов синтеза. Для того чтобы клетка могла подготовиться к следующему делению, должна удвоиться ее генетическая информация, а для этого необходимы специальные ферменты. Ферменты, работающие в процессе репликации ДНК, тоже синтезируются в G1-периоде.
Следующий период называется синтетическим, или S-периодом. В это время происходит удвоение всех молекул ДНК в ядре, иначе этот процесс называется репликацией. Это длительный период, обычно он продолжается в течение 9–10 часов.
Клетка – очень надежная система. Каждый процесс обязательно имеет точку контроля. Поэтому в S-периоде обязательно происходит проверка правильности репликации ДНК. Если какие-то участки ДНК имеют дефекты, то вступают в работу ферменты репарации. Они могут найти неправильно спаренные нуклеотиды в двойной спирали ДНК, удалить небольшой участок одной из нитей и восстановить правильную структуру. После многократных проверок и устранения всех дефектов в структуре молекулы ДНК клетка может окончательно готовиться к митозу.
Непосредственная подготовка к митозу происходит в G2-периоде. Иначе этот период называют постсинтетическим, или премитотическим. Обычно это наиболее короткий период интерфазы. В это время изменяется набор белков в цитоплазме и ядре. Синтезируются белки, необходимые для построения веретена деления. Образуются белки, обеспечивающие перестройку хроматина, так как в митозе из хроматина образуются хромосомы.
Продолжительность клеточного цикла зависит от особенности клеток. В настоящее время показано, что суммарная длительность S-периода и G2-фазы – величина относительно постоянная, для многих эукариот это 10–15 часов. Время G1-периода может очень сильно изменяться у разных клеточных типов одного и того же организма. Например, у мыши в разных типах эпителиальных клеток длительность G1-периода колеблется от 3 часов в волосяных фолликулах до 528 часов в эпидермисе уха.
Как разбиралось ранее, по мере того как клетка дифференцируется, она утрачивает способность к делению, то есть клетка выходит из клеточного цикла. Выход из клеточного цикла – сложный процесс, который регулируется специальными белками. Клетка не может выйти из клеточного цикла в любой момент. Она может это сделать только в определенной точке. Чаще всего это происходит в конце G1-периода, реже – в G2-фазе до начала митоза. Период жизни клетки, когда она находится вне клеточного цикла и не может делиться называется G0-фазой. Существуют клетки, которые пребывают в G0-фазе в течение всей жизни индивидуума. Это нейроны, мышечные клетки сердца, клетки хрусталика глаза. Клетки печени человека могут в течение нескольких месяцев находиться в G0-периоде, а потом опять войти в клеточный цикл и начать делиться. Фибробласты соединительной ткани – малодифференцированные клетки. Они активно размножаются при зарастании раны, а до этого могут длительное время находиться вне клеточного цикла в G0-фазе. Стволовые клетки постоянно находятся в клеточном цикле. Но их клеточный цикл очень длительный за счет увеличения фазы G1.
Регуляция клеточного цикла, переход из одного периода в другой – очень сложный процесс, который активно изучается в настоящее время. Описаны белки и ферменты-регуляторы клеточного цикла: циклины, протеинкиназы, факторы, стимулирующие клеточный цикл, и факторы, тормозящие его. Найдены контрольные точки регуляции процессов клеточного цикла. В регуляции участвуют как внутриклеточные белки, так и активные молекулы, выделяемые соседними клетками, а также гормоны, выделяемые в кровь железами внутренней секреции. Широко известно, что в качестве допинга спортсмены часто используют эритропоэтин. Это биологически активное вещество, стимулирующее деление клеток крови, своеобразный фактор роста. Факторы роста могут синтезировать и выделять из клеток многие клеточные типы. Известны факторы роста эпителиальных клеток, фибробластов, тромбоцитов и даже нервных клеток. Все они могут принимать участие в регуляции клеточного деления на уровне организма в целом.
Вопросы
1. Дайте определение клеточного цикла.
2. Что такое интерфаза? Что происходит с клеткой в интерфазе?
3. Перечислите периоды клеточного цикла, в течение которых происходит транскрипция в ядре.
4. В каком периоде клеточного цикла происходит репликация?
5. Какова продолжительность митоза, S + G2 периодов?
6. Продолжительность какого периода наиболее изменчива? Приведите примеры.
7. Что происходит с клеткой в G0-фазе?
8. Дайте характеристику клеточного цикла стволовых клеток.
9. Как осуществляется регуляция клеточного цикла?