Клетъчен растеж и
репродукция - видове.Клетъчен жизнен
цикъл и митотичен цикъл. Регулация на
клетъчния растеж
Клетъчното делене е в основата
на размножаването на една клетъчна
популация. Жизненият цикъл на клетката
е последователно сменяне на фази на
делене с т.нар. латентна фаза ( интерфаза
). Латентните фази са фази на активен
метаболизъм. При деленето от една клетка
се получават две дъщерни клетки, в които
е осигурено равномерно разпределение
на генома.
При едноклетъчните организми е
възможно просто клетъчно делене
(амитотично делене).При многоклетъчните
това става чрез сложно делене –митоза
и в много редки случаи (бърза регенерация)
-чрез амитоза.
Продължаването на
биологичния вид става за сметка на
специален вид кл.делене,при което като
краен продукт се получават клетки -
гамети с
хаплоиден брий хромозоми(n).При
човека диплоидния брой хромозоми(2n)
е 46, докато в
половите клетки-яйцеклетка и
сперматозоиди,броят на хромозомите е
редуциран на половина. При сливането
на яйцеклетката със сперматозоида се
формира диплоидна клетка,способна чрез
митотично делене да доведе до създаването
на нов индивид с белезите на майчината
и бащината полова клетка.
Почти всички клетки(изключение
правят невроните и еритроцитите) са
способни да се делят. Деленето се извършва
чрез митоза, при която се получават две
нови клетки с морфологичните и
физиологичните характеристики на
клетката майка. Периодът между двете
митози се нарича интерфаза.
Интерфазата
се състои от три части,означавани като
G1,
S и
G2.Фазата
G1
има различна продължителност като
достига до 10 h
при някои
млекопитаещи. При оплоденото яйце
кл.цикъл протича толкова бързо,че
практически фазата G1
е равна на нула. Липсата на G1
се наблюдава и при патологични прцеси
. През фазата
G1(пресинтетична
фаза) не се извършва синтеза на ДНК.
През този период ДНК е струкурен елемент
на хромозомите. Всяка хромозома се
състои от една молекула ДНК,свързана
със съответен брой хистонови белтъци.
Основната характеристика
на фазата G1
е увеличаването
на обема на клетката благодарение на
интензивната синтеза на протеини.
Растежа зависи от активирането на
съответните гени, които регулират
синтезата на РНК. Информационната РНК
, която се синтезира в ядрото , е в основата
на синтезата на протеини в цитоплазмата
,водещи до растежа на клетката.
Блокирането на синтезата
на иРНК или на синтезата на протеините
в цитоплазмата фактически спира
настъпването на следващата фаза S,тъй
като с това се блокира синтезата на
необходимите ензими за метаболизма на
ДНК, РНК и протеините.Следва период на
почивка означаван като G0.
В следващата S
фаза
количеството на ДНК се удвоява успоредно
с удвояването на броя на хромозомите.
Блокирането на синтезата на ДНК е
равносилно на блокиране на процеса на
митоза. Наред
с удвояването на количеството на ДНК
се увеличава и количеството на РНК.
Продължителността
на фазата S
при еукариотните клетки е около 8h.В
основата на увеличаването на количеството
на ДНК е репликацията на нейната молекула
на определени места, наречени репликони.
Репликоните притежават начални места
(инициални), от които започва репликацията.
Благодарение
на ДНК-полимеразата започва последователно
присъединяване на четири типа
нуклеотидфосфати чрез образуване на
фосфодиестерни връзки между два съседни
нуклеотида.Този последователен процес
на полимеризация на нуклеотидите
продължава до разпознаването на
ДНК-полимеразата, идваща в обратна
посока от съседен репликон.Установено
е,че репликацията има собствена,генетично
детерминирана система на регулация с
участието да биологично активни вещества
и ензими хеликази, ДНК-топоизомерази и
ДНк-полимерази, които са в основата на
разделянето на двойната спирала на ДНК
и синтезирането на нова ДНК по съответния
матричен модел. Този
процес се извършва при наличието на
съответното количество ДНК и четирите
основни фосфонуклеотида. Синтезирането
на една идентична на предшествещата
ДНК (двойна спирала)се извършва с помоща
на ензими на свързването-лигази.
В постсинтетичната
фаза(G2),наречена
още премитотична фаза, водещ
процес е синтезата на РНК(информационна
и рибозомна),
необходима за следващия етап на митозата.
Едновременно
се завършва синтезата на протеините,
като отделно трябва да се подчертае
синтезата на групата тубулини, които
ще образуват структурата на делителното
вретено. В
края на G2
фазата с кондензирането на хромозомите
,които ще участват в митозата, синтезата
на РНК рязко спада и напълно се прекъсва
в следващия цикъл на делене.
Митотичното делене
се характеризира с кондензиране на
хроматина на ядрото и организация на
микроскопски видими хромозоми. Следва
подреждането им в една плоскост,след
което се осъществява процес на делене
на хромозомите и придвижването им в две
групи към полюсите на клетката. Последният
етап при кл. делене е разделянето на
цитоплазмата на две дъщерни клетки,в
които има равномерно разпределение на
наследствения материал. Ако това
разделение не стане,се получават
двуядрени клетки.
Периодът
М, е
същинската митоза и се дели на следните
периоди: профаза,
прометафаза, метафаза, анафаза и
телофаза.Той
продължава средно около 1h. Отключващ
момент за настъпване на митозата е
генетично кодиран фактор с белтъчна
природа (P34),
наречен MPF
(Mitosis Promoting Factor)
. Целият
кл.цикъл. включително и интерфазата,
варира при различните типове клетки.
Някои клетки,които се отличават с висока
диференциация, са загубили способността
да се делят и остават във фаза G1.
Профазата
включва преход от фаза G2
към периода М, който се характеризира
с процес на кондензация на хроматина в
хромозомите на ядрото. Ядърцата изчезват.
Благодарение на обратното развитие на
елементите на цитоскелета клетките
придобиват кръгла форма и клетъчните
движения са максимално лимитирани. В
цитоплазмата остават само интермедиерните
филаменти. Мембранният транспорт рязко
намалява и спира, а ендоплазматичния
ретикулум се фрагментира под формата
на везикули. Центриолите
мигрират към двата полюса на клетката
и формират център за организация на
микротубули.
Около тях се наблюдава зона на
електронноплътен перицентриоларен
материал. От този материал започва
изграждането на микротубули,които
формират система,наречена делителноили
митотично вретено.
Разрушаването
на ядрената мембрана бележи началото
на следващия етап - прометафаза.
През този период продължава кондензацията
на хроматина. Изчезването на ядрената
мембрана е свързано с разграждането на
протеините на мембраната (за
да се инициира разпадането на ядрената
обвивка трябва да се разпадне Lamina
fibrosa,
което се инициира от фосфорилирането
на Lamini
B)
и свързаните с нея интермедиерни
филаменти. Формират се двойки
хромозоми,съставени от две рамена,
свързани с участък-центромер.
Микротубулите
на митотичното вретено се свързват с
определен участък на центромера -
кинетохор.Това
са само 15 или 20 микротубули, наречени
кинетохорни, които благодарение на
взаимодействието си с кинетохора
завършват полимеризацията си от
съответните субединици. Останалите
микротубули се намират в динамична
нестбилност, в един непрекъснат процес
на полимеризация и деполимеризация.
Някои от тези микротубули са разположени
радиално и се наричат астрални микротубули.
Кинетохорните са ориентирани към двата
полюса на клеткта. Микротубулите са
поляризирани благодарение на поляризацията
на изграждащите ги субединици, в следствие
на което хромозомите
се подреждат в една равнина (екваториална
или метафазна равнина).С това подреждане
започва периодът на метафазата.
През този период
хромозомите достигат най-високата си
степен на спирализация и остават
фиксирани в тази плоскост за определен
период от време, който е различен за
различните клетъчни типове. Това е
най-удобния период за изучаване на
хромозомите чрез определяне на
т.нар.кариотипове за диагностика на
определени патологични отклонения.
Анафазата
започва с разделянето на хромозомните
чифтове в дъщерни хромозоми и изтеглянето
им към двата полюса на клетката. Основна
роля в този процес играят кинетохорните
микротубули. При експериментално
разрушаване на делителното вретено се
наблюдава разделяне на хроматидите, но
се спира движението на дъщерните
хромозоми към полюсите. Процесите на
полимеризация и деполимеризация са в
основата на придвижването на хромозомите.
Редица агенти влияят на този процес, с
което се спира движението на хромозомите.
Нормалната деполимеризация започва в
областта на кинетохора, което води до
скъсяване на микротубулите и тяхното
съкращаване, имащо за резултат изтегляне
на хромозомата към полюса на клетката.
В това движение участват както
кинетохорните, така и астралните
микротубули. Тук се наблюдава плъзгане
на отделните микротубули една спрямо
друга, свързано с промени на молекулярната
структура на отделните микротубули.
Клетъчното
делене завършва с телофаза,
при която се наблюдават редица морфологични
промени. Чрез деполимеризация изчезват
кинетохорните и астрални микротубули,
които се заместват от микротубулната
мрежа на цитоскелета, характерна за
интерфазата. Дисперсно разпръснатите
елементи на бившата ядерна мембрана се
свързват помежду си и възстановяват
ядрената мембрана. Появяват се ядърцата.
На мястото на метафазната плоча се
наблюдава активна синтеза и формиране
на пръстен от актомиозин, чиято контракция
е в основата на разделянето на клетката
в телофаза на две дъщерни клетки
(цитокинеза).
При
блокиране на цитокинезиса, т.е. разделянето
на двете дъщерни клетки,се получават
освен диплоидни, тетраплоидни(4n)
и октаплоидни(8n)
клетки. Те се наблюдават в преходния
епител на пикочните пътища,при
хепатоцитите,в някои гландулоцити???
и др.
Като
правило се приема,че полиплоидията е
характерна за диференцирани клетки, и
то в периода на крайните фази на клетъчния
цикъл. Ендорепродекцията на ДНК и
свързаната с нея полиплоидия е нормална
при някои клетки, като например
мегакариоцитите на костния мозък, от
които се получават тромбоцитните
популации. Полиплоидия се появява и при
въздействие с цитостатици , които
блокират образуването на тубулния
апарат за делителното вретено.
При
амитотичното
клетъчно делене
не се преминава през стадии на видими
хромозоми, откъдето идва и названието
на този прост тип делене.
То се характеризира
със запазване на структурата на
цитоплазмата и клетъчните органели.
Клетката се удължава и чрез един
съкратителен пръстен ядрото придобива
форма на пясъчен часовник. В следващия
етап двете ядрени части се разделят,
предшествани много често от разделяне
на ядърцата.
Чрез
амитоза се получават двуядрени и
многоядрени клетки и последващото
разделяне на цитоплазмата не е
задължително.
В експериментални
условия амитози се наблюдават при
влошаване на условията в тъканните
култури,а така също подобна на амитозата
фрагментация на ядрото е един от белезите
за клетъчна дегенерация и смърт.
Не се приема със
сигурност съществуването на амитотично
делене при нормални условия у висшите
гръбначни.
Регулация
Хертвиг и Попов
създават теорията за ядрено-плазматичното
съотношение.Те установяват че при
едноклетъчните нарастването на ядрото
и цитоплазмата не върви паралелно и че
обемът на ядрото изоства в сравнение с
този на цитоплазмата. След определен
минимум на това съотношение ядрото
започва да нараства и съотношението
достига до изходното състояние. Авторите
на тази теория приемат за критичен
момент най-нискотоядрено-плазматичното
съотношение, което служи като стимул
за кл.делене. Сходна на тази теория, е
хипотезата за регулацията на клетъчната
пролиферация ,чрез съперническото
участие на неидентифицирани вещества:на
ядрото което подтиска, и на цитоплазмата,която
стимулира клетъчното делене. Гринъън
и Сейт откриват ,че цАМФ е инхибитор,а
цГМФ е стимулатор на митозата и смятат,
че тези вещества може да са регулатори
на процеса. Оказва се ,че при редица
случаи от значение са и междуклетъчните
контакти.
Установено
е, че протеинкиназите се активират от
допълнителни регулаторни белтъци -
циклини. Те са група белтъци, чиято
концетрация се променя периодично през
времето на кл.цикъл. Освен циклините
като регулатори на кл.цикъл се явяват
редица фактори: MPF
(фактор
който регулира митозата, открит за първи
път в овоцити в много голямо количество,защото
е необходим за процесите на дробене
след оплождане). MPF
стимулира
прехода от G2
към
М фазата. В G2
обаче присъстват и т.нар.митозозадържащи
фактори, които пречат на клетката да
премине към митоза, ако не е завършена
репликацията. Прдполага се че тези
фактори спират производството на MPF.
Целият
процес може да се разгледа като верига
от каскадни процеси, при която условието
за започване на нов етап е пълното
завършване на предходния. Всики отделен
етап включва т.нар.chek
point(точка
на проверка). Преминаването през чек
пойнт става при наличие на дадения
фактор в интерфаза. Съществуват няколко
основни чек пойнта:
-точка на
рестрикция -определя прехода от G1
към
S
фазата.
Тя зависи от наличието на активатор на
S
фазата.
-прехода
между S
и
G
периода, който зависи от протичането
напълно
на S
периода и като основен регулатор се
явява ДНК-зависим-М задържащ фактор.
MPF
фактора
отговарящ за преходи от G2
към
M,
представлява митотичен циклин,който
активира специфична протеинкиназа. Тъй
като киназната активност зависи от
наличието на циклин, то тя се наричат
циклин зависима киназа(CdK).
Една
CdK
може
да се активира от група циклини, които
се появяват в различна фаза от митозата
- G1
циклините се появяват в G1
периода преди точката на рестрикция и
киназите които те активират водят до
преминаване на точката на рестрикция.
Точката на рестрикция се счита за основна
преходна точка, която зависи както от
клетъчните фактори, така и от факторите
на околната среда. Ако клетката веднъж
е преминала точката на рестрикция тя
трябва да завърши деленето независимо
от условията на околната среда. По
принцип регулацията на кл.делене е
сложна система на синтезиране и
разграждане на циклини. За да могат да
изпълняват регулаторната си функция
те трябва да бъдат белтъци с кратък
полуживот???. Установени са 6 типа
циклини-A,B,C,D,E,F,
като
някои от тези групи представляват
фамилии от сходни белтъци. Индукцията
на митозата зависи от циклините CdK2.Освен
чрез него има и циклин Е,
който
индуцира прехода през G1-chek
point. Циклините
са вътреклетъчни регулатори на кл.делене,
но се включва цяла група белтъци,които
са растежни фактори. Те зависят от вида
на клетката ,обикновено се свързват с
мембранни рецептори, които имат
трансмембранна част с ензимна активност.
Растежни фактори
са:
-тромбоцитен растежен
фактор - този фактор стимулира растежа
на фибробластите и мускулните клетки,отделя
се от тромбоцитите и се предполага че
играе основна роля в зарастване на
раните.
-фактор на епидермалния
растеж - къс полипептид със 53 АК стимулира
деленето на епидермални клетки
-инсулиноподобен
растежен фактор-70-73 АК,стимулират растежа
на мастни клетки и действат в комбинация
с тромбоцитния растежен фактор на
съединителната тъкан
-фактор на растеж на
фибробластите - среща се в ендотелни и
мускулни клетки
-интерлевкин2 - фактор
който стимулира растежа на Т-лимфоцитите.
Клетъчното делене
се намира в зависимост от множество
външни и вътрешни фактори влиянието на
които все още не са добре изучени.
