ЛЕКЦИЯ 4. Существование клеток во времени и пространстве. 
Клеточный цикл и его регуляция

Универсальные химические соединения — нуклеиновые кислоты. Они состоят из 3 компонентов, связанных между собой: азоистого основания (А, Г, Ц, Т, У), 2-дезокси — Д — рибозы, Д — рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекулярная масса ДНК от 200 000 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 — 100 000 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).

• 43−90 минут
• 25−30 6−15 8−14 9−26

профаза метафаза анафаза телофаза Метафазные хромосомы укомплектованы (как у бактериофага). Они изучаются при медицинском анализе для определения кариотипа. В результате деления возникают 2 клетки с одинаковым набором наследственной информации (2п2с). Продолжительность жизни клетки зависит от гормонального баланса, возраста, условий среды, размера, плоидности, количества ядер, степени дифференциации (чем больше дифференцирована клетка, тем меньше она делится митозом), мало зависит от пола. Митотическая активность в разных клетках приходится на разное время (часто на утренние часы), поэтому плановые хирургические операции проводят утром. Другие способы деления: амитоз, эндомитоз (хромосомы удваиваются, клетки не удваиваются).

Организм животных растет до определенного размера (в пределах нормы реакции). Это связано с тем, что рост происходит за счет увеличения размера клеток. А также их числа. Рост клеток замедляется, и рост организма прекращается. В организме есть центры активной гибели и активного клеточного замещения.

Центры активной гибели и активного замещения клеток.

• -покровные клетки (ткани)
• -кровеносная система
• -репродуктивная система
• -пищеварительная система.

Ежегодно человек теряет 1−2% клеток из-за их гибели. Каждые 7 лет происходит замена всех клеток. Ежедневно несколько миллиардов клеток образуются в организме человека. Эпителий тонкого кишечника человека обновляется через 7−8 дней. Организм человека в целом состоит из 60 биллионов клеток.2 млрд. эритроцитов ежедневно замещаются.

При метаморфозе у некоторых организмов происходит удаление одного фенотипа и замена его другим фенотипом. Это определенная программа приобретения и утраты клеток. Она дифференцирована во времени. Размеры у амфибий не меняются, но у головастика растут конечности, исчезает хвост, ткани дыхательной, выделительной, пищеварительной систем замещаются. Затрагиваются все структуры, заменяются новыми. Жабернодышащий, с хвостом, выделяющий аммиак, травоядный головастик становится лягушкой с воздуходышащей системой, без хвоста и с 4мя конечностями, выделяет мочевину и питается насекомыми. Процесс управляется тироксином. В процессе эмбриогенеза многие органы образуются путем впячивания, развитие и смерть клеток имеют место в едином процессе (образование глаз, пальцевых лучей, отделение губ от десен). Такое развитие нормально, гибель клеток также нормальна. В случае нарушения процесса деления клеток и их гибели, один из процессов начинает преобладать. В каждой клетке есть кейлоны и антикейлоны (гликопротеины, гормоны данного вида). Они могут определять положение клетки в G0 (антикейлон стимулирует деление). У взрослого организма кейлоны и антикейлоны в одинаковом количестве.