Клеточный цикл. Репликация ДНК. Митоз.

Цепь событий, происходящих во время жизни клетки от деления до деления (или до ее смерти) называется клеточным циклом. ;

Клеточный цикл разбивается на два основных периода – интерфаза и митоз.

Интерфаза – период жизни клеток между двумя циклами деления.

Интерфаза также включает в себя несколько периодов (G1, S, G2, G0)

G1 – пресинтетический период.

Период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Количество хромосом и содержание ДНК – 2n, 2с. Длительность непостоянна (от нескольких часов до нескольких суток). В этот период в клетке идут интенсивные синтетические процессы (активно синтезируются белки, РНК разных видов, растет объем клетки, идет подготовка к репликации ДНК).

S – синтетический период (период синтеза, репликации ДНК).

Важнейший период в жизни клетки. Клетка готовится к синтезу новых молекул ДНК (репликации, удвоению). Длительность 6-8 часов. Продолжается активный синтез белков, различных видов РНК, особенно рибосомальных. В этот же период происходит удвоение центриолей – важных клеточных органоидов, принимающих участие в формировании веретена деления.

К концу периода репликация ДНК заканчивается, и каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Тем самым количество хромосом не меняется (2n), а количество ДНК удваивается (4c). Блокада S- периода (например, с помощью химических веществ) полностью блокирует весь клеточный цикл.

G2 – постсинтетический период.

Период активной подготовки клетки к делению. Длительность – 2–6 часов.

Количество хромосом и ДНК – (2n, 4с). В этот период продолжается синтез белков, необходимых для формирования веретена деления в митозе. Активно работают митохондрии, синтезируя большое количество АТФ для энергетического обеспечения митоза. Синтез разных видов РНК ослабевает. Среди белков, синтезирующихся в этот период цикла, особое место занимают белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.

G0 – период покоя.

В тканях организмов всегда есть клетки, которые перестали размножаться. Такие клетки получили название – покоящиеся клетки. У многоклеточных организмов большая часть клеток находится именно в фазе G0!

Таким образом – интерфаза, как важная часть жизненного цикла клеток, представляет собой сложнейший процесс, регулируемый множеством как внешних, так и внутренних факторов.

Репликация ДНК в эу- и прокариотических клетках

Репликация – процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) с целью обеспечения точного копирования генетического, наследственного материала клеток организма и передачу его последующим поколениям.

I. Молекула ДНК в интерфазном ядре находится в спирализованном состоянии и для начала репликации необходимо деспирализовать хроматин и «расплести» двойную спираль ДНК. Двойную цепь ДНК «расплетают» специальные белки-ферменты топоизомеразы и хеликазы. Топоизомераза раскручивает спираль ДНК и образуется участок - «пузырь», где две соседние цепи ДНК разъединены. На каждом конце такого «пузыря» образуется точка начала репликации – репликативная вилка. Участок ДНК, где начинается и идет репликация называется – репликон.

II. Теперь на расплетенных нитях «родительской» ДНК начинают синтезироваться «дочерние» нити, подчиняясь закону комплементарности пар нуклеотидов. В настоящее время доказана схема «полуконсервативного» синтеза ДНК. По этой схеме на каждой из расплетенных цепей ДНК достраивается новая цепь.

III. Следующим этапом синтеза ДНК является «проверка» правильности синтеза новой цепи ДНК. Это делают также ферменты ДНК-полимеразы I и III.

IV. Синтез новых цепей ДНК идет одновременно с двух «материнских» цепей антипараллельно, в направлении 5’ ---- 3’ конец. По одной нити ДНК, называемой «главной», синтез идет непрерывно. По другой – антипараллельной, называемой «запаздывающей», синтез новой цепи ДНК идет отдельными фрагментами, каждый из которых запускается своим РНК-праймером. Эти фрагменты получили наименование по имени японского биолога – «фрагменты Оказаки». По мере синтеза фрагментов они сшиваются специальным ферментом – ДНК-лигазой в непрерывную цепь ДНК.

V – Процесс репликации ДНК надо остановить вовремя! Ферменты ДНК – полимеразы только добавляют в растущую цепь нуклеотиды и проверяют их правильное расположение. Кто же останавливает репликацию?

На конце эукариотических хромосом имеется специальный участок из 100 – 1000 многократно повторяющихся кусочков цепи из шести нуклеотидов (например: у человека: ТТАGGG). Он не несет в себе функции генов и служит сигналом к окончанию репликации и получил наименование - теломер. С каждым циклом репликации и деления теломерный участок уменьшается.

Теломеразы есть в половых клетках и клетках новорожденных. Во взрослом организме в соматических клетках теломераза (а точнее ген, который ее кодирует) неактивна, что является своеобразным ограничителем интенсивности деления клеток и жизни всего организма. К сожалению, при раковом перерождении клеток теломераза активизируется, что сопровождается бесконтрольным размножением клеток - «бессмертие раковых клеток». Вместе с процессом репликации ДНК в синтетическом периоде идет интенсивный синтез ядерных белков – гистонов, которые соединяются с вновь синтезируемыми нитями ДНК и формируют нормальную нуклеосомную структуру ДНК.

Теломеры на концах хромосом

Митоз

Митоз – стадия жизненного цикла клеток, в период которого происходит деление «материнской клетки» с образованием двух генетически идентичных «дочерних» клеток.

1) во время митоза происходит строго одинаковое распределение хромосом между дочерними клетками. Это обеспечивает образование генетически идентичных клеток;

2) митоз обеспечивает рост многоклеточного организма;

3) за счет деления клеток происходит регенерация поврежденных органов и тканей (репаративная регенерация) или сохранение структурной целостности клеточных популяций и всего организма (физиологическая регенерация);

4) на митозе основаны все формы бесполого размножения (почкование, спорообразование, вегетативное размножение, деление бактерий и протист).

1) профаза Переход от интерфазы к митозу. Хроматин в ядре, который был в интерфазе деконденсированный, начинает конденсироваться в хорошо видимые хромосомы. Каждая хромосома редуплицирована и состоит из двух сестринских хроматид. В каждой из хроматид есть специальный участок – центромер, к которому будут крепиться в дальнейшем микротрубочки веретена. Оболочка ядра начинает фрагментироваться.

2) метафаза Хромосомы, прикрепленные к кинетохорным микротрубочкам беспорядочно двигаются по клетке, постепенно концентрируясь в средней части клетки. Количество хромосом и количество ДНК в этой фазе митоза - 2n4c. Хромосомы концентрируются в средней части клетки, формируя экваториальную (метафазную) пластинку. Количество хромосом и ДНК остается пока прежним 2n 4c. Полностью сформировано веретено деления.

3) анафаза Начинается с внезапного разделения хромосом на сестринские хроматиды, которые начинают медленно двигаться к соответствующим полюсам клетки с помощью сократительных сил кинетохорных микротрубочек веретена. Остановить митоз практически невозможно! Анафаза длиться всего несколько минут. В результате в клетке количество хромосом увеличивается вдвое - 4n 4c!!.

4) телофаза Сестринские хроматиды (хромосомы дочерних клеток) подходят к полюсам и отсоединяются от микротрубочек веретена. Вокруг каждой группы хромосом начинает формироваться новая оболочка ядра. Конденсированный хроматин начинает разрыхляться, формируется ядрышко.

5) Веретено деления разрушается и начинается процесс деления цитоплазмы материнской клетки на две части – цитокенез.