Каждую секунду в нашем организме рождаются и умирают миллионы клеток. Все они возникают в результате деления материнской и каждая имеет особый жизненный цикл. "Omnis cellula e cellula" или "каждая клетка от клетки", - как говорил немецкий учёный Рудольф Вирхов. В данной статье мы углубимся в такое понятие, как "жизненный цикл клетки" и изучим механизм его регуляции.
Клеточный цикл- комплекс скоординированных процессов, приводящий к воспроизведению клеток. Этот важнейший процесс является основой репродуцирования всего живого. В основе этого процесса лежит уникальная способность ДНК к репликации с образование двух идентичных копий, распределяемых между дочерними клетками.
Размножение клеток происходит в результате циклического процесса. В культуре клеток млекопитающих, например, он длится около 24 часов. Цикл представлен четырьмя фазами: G1 (англ. gap - промежуток), S (synthesis), G2 и M (mitosis).
- Фаза G1 (пресинтетическая) . Здесь клетка растёт за счет синтеза клеточных компонентов de novo (лат.- с нуля, заново). Длительность этой фазы может варьироваться, но обычно составляет около 12 часов.
- S-фаза (синтетическая). Здесь происходит редупликация(удвоение) ДНК и синтез белков-гистонов, необходимых для построения второй хроматиды.
3. G2-фаза (постсинтетическая). Это фаза подготовки клетки к делению. Характеризуется интенсивным синтезом белков, РНК, АТФ( универсальная энергетическая единица клетки). Здесь же происходит деление митохондрий (и пропластид у растений), а также удвоение цитоплазмы и резкое возрастание объемов ядра.
- Важно отметить, что полностью дифференцированные клетки делятся очень редко, либо не делятся вовсе. Они останавливается в фазе G1 и находятся в состоянии покоя, называемой фазой G0. (Обратите внимание на схему)
4. М-фаза, во время которой и происходит деление материнской клетки-митоз и образование двух дочерних-цитокинез.
Клетки различных тканей делятся с разной частотой. Нервные клетки или клетки мышц не делятся( за редкими исключениями) . То есть они постоянно пребывают в фазе G0. Сперматозоиды же и клетки костного мозга или кожи делятся быстро и регулярно. (Клетки регенерирующей печени мыши, к примеру, делятся каждые 48 часов, лимфоциты человека - 24 часа. Контроль протекания клеточного цикла осуществляется в особых контрольных точках (checkpoints). В этих точках клетка "решает", продолжать ли цикл.
В конце фазы G1 находится стартовая контрольная точка, в которой принимается решение о вступлении в клеточный цикл. в конце фазы G2 находится точка G2/M, разрешающая переходить к митозу.
Теперь углубимся в механизм регуляции клеточного цикла. Он находится под контролем циклинзависимых киназ (ЦЗК или же Cdk1-6). Эти особые Ser/Thr(Серин/Треонин)-специфичные киназы активируются в результате связывания с белками из семейства циклинов(циклины A, B, C, D, E). То есть для их функционирования необходимо объединится со специальным белком. Они отвечают за запуск и продвижение клеточного цикла. Cdk присутствуют во всех фазах цикла, но концентрация отдельных изменяется в зависимости от фазы.
Такие колебания активности ведут к циклическим изменениям степени фосфорилирования клеточных белков, регулирующих важнейшие события: репликация ДНК, цитокинез.
Cdk расщепляются в протеасомах после особого "помечения" убиквитином.
- Протеасома- особый комплекс, разрушающий ненужные клетке белки.
- Убиквитин - особый маленький белок, помечающий белки и ведущий в их место разрушения - протеасомы, при этом сам убиквитин не разрушается, а переходит в неактивное состояние. При присоединении тиоэфирной группы (-SH-) , он снова становится "работоспособным". Это один из самых распространённых белков, встречающийся у всех эукариот: от дрожжей и амёб до людей.
Таким образом, в трёх контрольных точках активные Cdk комплексы позволяют клетке перейти в следующую фазу. В обратном случае клеточный цикл останавливается. Такой регуляторный механизм обеспечивает нормальный рост клетки, сохранение структуры ДНК и реализацию стадий цикла.
Рассмотрим механизм перехода из контрольных точек:
Особый белок p21 ингибирует Cdk и блокирует G1-Cdk комплекс, синтез p21, в свою очередь, индуцируется особым белком p53, который ещё называют "сторож генома"(Он активируется при повреждениях или стрессе). Итак, при ингибировании белком p21 G1-Cdk-комплекса происходит остановка при переходе в S-фазу, поэтому при необходимости клетка может осуществить репарацию ДНК.
После выполнения своей функции, p53 убиквинируется и разрушается в протеасоме, отсюда следует важный факт => в здоровых клетках p53 накапливаться не должен.
Если система репарации не справляется, происходит накопление p53 и программируемая гибель клетки- апоптоз, о котором мы и поговорим далее.
Таким образом, мы разобрали основную информацию о клеточном цикле, его фазы и механизм регуляции перехода от одной фазы к другой. Углубились в "биохимичность" процесса и затронули важную тему - белок p53. В следующей статье мы более подробно познакомимся с этим комплексом и разберём его роль в таком понятии, как "чума XXI века"- рак
Источники:
Я. Кольман, К.-Г Рём "Наглядная биохимия", 2019, 509 с.
https://studarium.ru/
Т. Л. Богданова, Е. А. Солодова "Биология", 2011, 816 с.
https://bigenc.ru/biology/text/2624123