Существование клеток во времени и пространстве. Клеточный цикл и его регуляция.

 

Универсальные химические соединения – нуклеиновые кислоты. Они состоят из 3 компонентов, связанных между собой: азотистого основания (А,Г,Ц,Т,У), 2-дезокси – Д – рибозы, Д – рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекулярная масса ДНК от 200000 до нескольких миллионов дальтон. Длина ДНК у млекопитающих до 1 метра, у эукариот ДНК почти полностью находится внутри ядра. У определенного вида в соматических клетках количество ДНК одинаково и зависит от числа хромосом. У человека в костном мозгу – 0,87 пг/клетку, в печени – 1 пг/клетку, в головном мозгу – 0,68, сперматозоидах – 0,33. каждый живой организм имеет свою собственную последовательность ДНК (нуклеотидный состав ДНК). Поэтому она используется в медицине и криминалистике (последовательность нуклеотидов у человека индивидуальна). Нуклеотидный состав соматических клеток постоянен в любом возрасте, при любых физиологических обстоятельствах. Молекулы ДНК идеально подходят для хранения информации благодаря стабильности, сложному строению, гигантским размерам. Именно они и позволяют информации из ядра передаваться в цитоплазму на рибосомы. Для этих целей служит посредник – РНК (м-РНК, и-РНК), которая живет меньше - это способ превращения матрицы ДНК в мобильную форму. Кодом в молекуле ДНК является порядок расположения пар нуклеотидов. Участок молекулы ДНК, несущий информацию о строении одного белка или макромолекулы называется геном. На каждом участке ДНК в один ген синтезируется своя и-РНК. Молекула ДНК эукариотической клетки несет как бы избыточную информацию, что объясняется тем, что некоторые последовательности ДНК повторяются несколько раз и присутствуют в виде нескольких копий(100,1000 и более). Такие последовательности – повторяющиеся, если нуклеотидная последовательность находится в единственном числе – уникальная последовательность. Повторяющиеся последовательности бывают: высокоповторяющиеся (повторяются млн. или более раз), умеренно повторяющиеся(1000 – 100000 копий, чаще 300). Высокоповторяющиеся не транскрибируются, но подвергаются репликации в первую очередь. Участвуют в конъюгации хромосом во время мейоза.

Умеренно повторяющиеся последовательности могут перемещаться по геному и переходить из одного участка ДНК в другой – мобильные (прыгающие) гены. Перемещаясь из одного участка ДНК в другой? могут захватывать чужие участки генов, переносить их в другое место и вызывать мутации. Любая клетка содержит латентный онкоген. Мобильные гены могут запустить латентный ген рака.

Уникальные последовательности ДНК не имеют копий в геноме и транскрибируются.

По способности к окрашиванию выделяют:

-эухроматин

-гетерохроматин (ярко окрашенный)

а) факультативный

б) структурный

Факультативный гетерохроматин постоянно конденсирован. Присутствует только в одной из гомологичных хромосом. Участки структурных генов подавлены, не функционируют – половой хроматин. Широко используется в экспресс диагностике.

Структурный гетерохроматин постоянно конденсирован. Присутствует в соответствующих участках гомологичных хромосом (в 2х), репрессирован, часто приурочен к центромере.

Эухроматин деконденсированные. Раскрученные участки хроматина. С них начинается считывание наследственной информации.

 

Состав хроматина:

-ДНК 15%

-РНК 10%

-гистоновые белки (основные) 65%

-негистоновые белки (кислые) 5%

-фосфолипиды 5%

Участки с гистоновыми белками – не транскрибируются, они заблокированы. У молодой клетки, только появившейся после деления, все части удваиваются.

Клеточный цикл клетки – период ее существования от появления до собственного деления или гибели. Митотический и жизненный цикл совпадают в часто делящихся клетках.

Жизненный цикл клетки

- интерфаза

- собственный цикл деления

Растущая неделящаяся клетка отличается от делящихся клеток. Интерфаза длиннее клеточного деления. Типичный жизненный цикл клетки составляет 20 часов, период деления – 1 час. При оптимальных условиях для однотипных клеток продолжительность клеточного цикла (время, необходимое для выполнения точной программы, заложенной в клетке) одинаково. При описании жизненного цикла выделяют несколько фаз. Впервые они были установлены в 1953 году А.Хоуардом и С.Пемгом.

S - фаза синтеза ДНК

G1 – постмитотическая (пресинтетическая) фаза

G2 - постсинтетическая (премитотическая) фаза

М – митоз

 

После формирования клетки в G1 происходит увеличение объема ядра и цитоплазмы. Синтез белков, синтез РНК, синтез АТФ(30-40% клеточного цикла) усиливается. После G1 фазы начинается S фаза. Происходит точная репликация ДНК и редупликация хромосом. Синтез ДНК происходит по полуконсервативному механизму: каждая цепь ДНК копируется. Синтез происходит по участкам. Существует система, устраняющая ошибки при редупликации ДНК (фоторепарация, дорепродуктивная и пострепродуктивная репарации). Процесс репарации очень долог: до 20 часов, и сложен. Ферменты – рестриктазы вырезают неподходящий участок ДНК и достраивают его заново. Репарации никогда не протекают со 100% эффективностью, если бы это было, Не существовала бы эволюционная изменчивость. Пострепродуктивная репарация происходит в G2 фазе. В G2 фазе(10-20%) происходит синтез белка. Метаболический смысл не ясен. Некоторые клетки в течение длительного времени не выполняют своих функций, в них не протекают метаболические процессы (клетка заклинена в G1или G2 – это G0 фаза – фаза относительного покоя). Для каждой фазы есть свое время. S, G2 не зависят от изменения внешней среды, время постоянно. У человека S фаза – 6-10 часов, G2 фаза – 2-5 часов, G1 фаза по продолжительности варьируется. Если долгая – клетка покоящаяся. Многие клетки (особенно дифференцированные) не способны к делению. Это позволяет им выполнять свои функции в максимальном количестве с максимальной интенсивностью. Особые регуляторные механизмы удерживают клетки в состоянии покоя. Они выполняют все функции, синтезируют белок. Однако многие дифференцированные клетки способны к делению, митоз делится на 2 фазы: собственно митоз и цитокинез. Биологическая роль митоза: точное, идентичное распределение дочерних хромосом с содержащимся в них наследственным материалом в ядрах.

 

 

Продолжительность митоза (клетки крови мышей)

Минут

25-30 6-15 8-14 9-26