§21. Buněčný cyklus
1. Co je buněčný cyklus?
Buněčný cyklus je existence buňky od okamžiku jejího vzniku při dělení mateřské buňky až po její vlastní dělení (včetně tohoto dělení) nebo smrt. Buněčný cyklus se skládá z interfáze a mitózy (dělení buněk).
2. Co se nazývá interfáze? K jakým hlavním událostem dochází v mezifázi G 1 -, S- a G 2 -period?
Interfáze je část buněčného cyklu mezi dvěma po sobě jdoucími děleními. Během celé interfáze jsou chromozomy nespiralizované a nacházejí se v buněčném jádře ve formě chromatinu. Interfáze se zpravidla skládá ze tří období:
● Presyntetická perioda (G 1) – nejdelší část mezifáze (2 – 3 hodiny až několik dní). V tomto období buňka roste, zvyšuje se počet organel, akumuluje se energie a látky pro následné zdvojení DNA. Během G 1 periody se každý chromozom skládá z jedné chromatidy. Soubor chromozomů (n) a chromatid (c) diploidní buňky v období G 1 je 2n2c.
● Během syntetického období (S) dochází ke zdvojení (replikaci) DNA a také k syntéze proteinů nezbytných pro následnou tvorbu chromozomů. Během stejného období dochází ke zdvojnásobení centriol. Na konci periody S se každý chromozom skládá ze dvou identických sesterských chromatid spojených v centromeře. Soubor chromozomů a chromatid diploidní buňky na konci S-periody (tj. po replikaci) je 2n4c.
● Během postsyntetického období (G 2) buňka akumuluje energii a syntetizuje proteiny pro nadcházející dělení (např. tubulin pro stavbu mikrotubulů, které následně tvoří vřeténka). Během celé periody G 2 je sada chromozomů a chromatid v buňce 2n4c.
Na konci interfáze začíná buněčné dělení.
3. Které buňky jsou charakterizovány periodou G 0? Co se děje během tohoto období?
Na rozdíl od neustále se dělících buněk (například buňky zárodečné vrstvy epidermis kůže, červená kostní dřeň, sliznice trávicího traktu zvířat, buňky vzdělávací tkáně rostlin) většina buněk mnohobuněčného organismu přijímá dráhu specializace a po absolvování části období G 1 projít během doby odpočinku (G 0 -období).
Buňky v období G0 plní v těle své specifické funkce, probíhají v nich metabolické a energetické procesy, ale nedochází k přípravě na replikaci. Takové buňky zpravidla trvale ztrácejí schopnost se dělit. Příklady zahrnují neurony, čočkové buňky a mnoho dalších.
Některé buňky, které jsou v období G0 (například leukocyty, jaterní buňky), jej však mohou opustit a pokračovat v buněčném cyklu, přičemž procházejí všemi obdobími interfáze a mitózy. Jaterní buňky tak mohou opět získat schopnost dělení po několika měsících klidu.
4. Jak probíhá replikace DNA?
Replikace je duplikace DNA, jedna z reakcí templátové syntézy. Během replikace speciální enzymy oddělují dvě vlákna původní rodičovské molekuly DNA a přerušují vodíkové vazby mezi komplementárními nukleotidy. Na oddělená vlákna se vážou molekuly DNA polymerázy, hlavního replikačního enzymu. Poté se molekuly DNA polymerázy začnou pohybovat podél mateřských řetězců, používají je jako templáty a syntetizují nové dceřiné řetězce, přičemž pro ně vybírají nukleotidy podle principu komplementarity.
V důsledku replikace se vytvoří dvě identické molekuly dvouvláknové DNA. Každý z nich obsahuje jeden řetězec původní mateřské molekuly a jeden nově syntetizovaný dceřiný řetězec.
5. Jsou molekuly DNA, které tvoří homologní chromozomy, stejné? Ve složení sesterských chromatid? Proč?
Molekuly DNA v sesterských chromatidách stejného chromozomu jsou identické (mají stejnou nukleotidovou sekvenci), protože vznikají jako výsledek replikace původní mateřské molekuly DNA. Každá ze dvou molekul DNA, které tvoří sesterské chromatidy, obsahuje jeden řetězec původní mateřské molekuly DNA (šablony) a jeden nový, dceřiný řetězec syntetizovaný na tomto templátu.
Molekuly DNA v homologních chromozomech nejsou totožné. To je způsobeno skutečností, že homologní chromozomy mají různý původ. V každém páru homologních chromozomů je jeden mateřský (zděděný od matky) a druhý je otcovský (zděděný po otci).
6. Co je to nekróza? Apoptóza? Jaké jsou podobnosti a rozdíly mezi nekrózou a apoptózou?
Nekróza je odumírání buněk a tkání v živém organismu, způsobené působením poškozujících faktorů různé povahy.
Apoptóza je programovaná buněčná smrt regulovaná tělem (takzvaná „buněčná sebevražda“).
podobnosti:
● Nekróza a apoptóza jsou dva typy buněčné smrti.
● Vyskytuje se ve všech fázích života těla.
Rozdíly:
● Nekróza je náhodná (neplánovaná) buněčná smrt, která může být způsobena vystavením vysokým a nízkým teplotám, ionizujícímu záření, různým chemickým látkám (včetně toxinů), mechanickým poškozením, poruchou prokrvení nebo inervace tkání nebo alergickou reakcí. Apoptóza je zpočátku tělem plánována (geneticky naprogramována) a jím regulována. Během apoptózy buňky umírají bez přímého poškození v důsledku toho, že přijímají specifický molekulární signál - „rozkaz k sebezničení“.
● V důsledku apoptózy umírají jednotlivé specifické buňky (pouze ty, které dostaly „řád“) a celé skupiny buněk obvykle podléhají nekrotické smrti.
● Při nekrotické smrti v poškozených buňkách dochází k narušení permeability membrány, zastavení syntézy bílkovin, zastavení dalších metabolických procesů, zničení jádra, organel a nakonec i celé buňky. Obvykle jsou umírající buňky napadeny leukocyty a v oblasti nekrózy se rozvíjí zánětlivá reakce. Během apoptózy se buňka rozpadne na samostatné fragmenty obklopené plazmalemou. Obvykle jsou fragmenty mrtvých buněk absorbovány bílými krvinkami nebo sousedními buňkami, aniž by spustily zánětlivou reakci.
A (nebo) další významné vlastnosti.
7. Jaký význam má programovaná buněčná smrt v životě mnohobuněčných organismů?
Jednou z hlavních funkcí apoptózy v mnohobuněčném organismu je zajištění buněčné homeostázy. Díky apoptóze je zachován správný poměr počtu buněk různých typů, je zajištěna obnova tkání a odstraněny geneticky defektní buňky. Zdá se, že apoptóza přerušuje nekonečnost buněčných dělení. Oslabení apoptózy často vede ke vzniku zhoubných nádorů a autoimunitních onemocnění (patologické procesy, při kterých se vyvíjí imunitní reakce proti vlastním buňkám a tkáním těla).
8. Proč si myslíte, že u naprosté většiny živých organismů je hlavním nositelem dědičné informace DNA a RNA plní pouze pomocné funkce?
Dvouřetězcová povaha molekuly DNA je základem procesů její autoduplikace (replikace) a eliminace poškození – opravy (nepoškozené vlákno slouží jako matrice pro obnovu vlákna poškozeného). Jelikož je RNA jednovláknová, není schopná replikace a její opravné procesy jsou obtížné. Navíc přítomnost další hydroxylové skupiny na ribóze (ve srovnání s deoxyribózou) činí RNA náchylnější k hydrolýze než DNA.
MezifázeG1 následuje po telofázi mitózy. Během této fáze buňka syntetizuje RNA a proteiny. Doba trvání fáze je od několika hodin do několika dnů. G0. Buňky mohou opustit cyklus a být ve fázi G0. Ve fázi G0 se buňky začínají diferencovat. S. Během S fáze pokračuje v buňce syntéza proteinů, dochází k replikaci DNA a oddělují se centrioly. U většiny buněk trvá S fáze 8-12 hodin. G2. Během G2 fáze pokračuje syntéza RNA a proteinů (například syntéza tubulinu pro mikrotubuly mitotického vřeténka). Dceřiné centrioly dosahují velikosti definitivních organel. Tato fáze trvá 2-4 hodiny. Mitóza Během mitózy se dělí jádro (karyokineze) a cytoplazma (cytokineze). Fáze mitózy: profáze, prometafáze, metafáze, anafáze, telofáze (obr. 2-52). Profáze. Každý chromozom se skládá ze dvou sesterských chromatid spojených centromerou, nukleolus zmizí. Centrioly organizují mitotické vřeteno. Pár centriolů je součástí mi-
Ve vysoké koncentraci zabraňuje aktivaci proteinkináz CDK4 nebo CDK6 cykliny D1, popř. Za těchto podmínek buňka zůstává ve fázi G0 nebo časné fázi G1, dokud neobdrží mitogenní stimul. Po adekvátní stimulaci se koncentrace inhibitoru p27 snižuje na pozadí zvýšení intracelulárního obsahu cyklinů D. To je doprovázeno aktivací CDK a v konečném důsledku fosforylací proteinu pRb, uvolněním asociovaného transkripčního faktoru E2F a aktivace transkripce odpovídajících genů.
Během těchto raných fází G1 fáze buněčného cyklu je koncentrace proteinu p27 stále poměrně vysoká. Po ukončení mitogenní stimulace buněk je tedy obsah tohoto proteinu rychle obnoven na kritickou úroveň a další průchod buněk buněčným cyklem je zablokován v odpovídající fázi G1. Tato reverzibilita je možná, dokud fáze G1 ve svém vývoji nedosáhne určitého stadia, nazývaného přechodový bod, po kterém se buňka zaváže k dělení a odstranění růstových faktorů z prostředí není doprovázeno inhibicí buněčného cyklu. I když se od tohoto okamžiku buňky stávají nezávislými na vnějších signálech k dělení, zachovávají si schopnost sebekontroly buněčného cyklu.
Na začátku buněčného cyklu mohou zdravé buňky rozpoznat poškození DNA a reagovat na něj zastavením postupu buněčného cyklu ve fázi G1, dokud není poškození opraveno. Například v reakci na poškození DNA způsobené ultrafialovým světlem nebo ionizujícím zářením protein p53 indukuje transkripci genu proteinu p21. Zvýšení jeho intracelulární koncentrace blokuje aktivaci CDK2 cykliny E nebo . To zastavuje buňky v pozdní G1 fázi nebo časné S fázi buněčného cyklu. V této době buňka sama určuje svůj budoucí osud - pokud nelze poškození odstranit, vstupuje do
Buněčný cyklus je období existence buňky od okamžiku jejího vzniku dělením mateřské buňky až do jejího vlastního dělení nebo smrti.
Trvání buněčného cyklu
Délka buněčného cyklu se u různých buněk liší. Rychle se rozmnožující buňky dospělých organismů, jako jsou hematopoetické nebo bazální buňky epidermis a tenkého střeva, mohou vstoupit do buněčného cyklu každých 12-36 hodin Při rychlé fragmentaci vajíček ostnokožců, obojživelníků jsou pozorovány krátké buněčné cykly (asi 30 minut). a další zvířata. V experimentálních podmínkách má mnoho linií buněčných kultur krátký buněčný cyklus (asi 20 hodin). Ve většině aktivně se dělících buněk je období mezi mitózami přibližně 10-24 hodin.
Fáze buněčného cyklu
Cyklus eukaryotických buněk se skládá ze dvou období:
Období buněčného růstu zvané „interfáze“, během kterého se syntetizuje DNA a proteiny a probíhá příprava na buněčné dělení.
Období buněčného dělení, nazývané „fáze M“ (od slova mitosis - mitóza).
Interfáze se skládá z několika období:
G 1-phase (z angl. mezera- interval), neboli počáteční růstová fáze, během níž dochází k syntéze mRNA, proteinů a dalších buněčných složek;
S-phase (z angl. syntéza- syntéza), při které dochází k replikaci DNA buněčného jádra a centrioly se také zdvojují (pokud samozřejmě existují).
G 2 fáze, během které dochází k přípravě na mitózu.
V diferencovaných buňkách, které se již nedělí, nemusí být v buněčném cyklu žádná fáze G1. Takové buňky jsou v klidové fázi G0.
Období buněčného dělení (fáze M) zahrnuje dvě fáze:
karyokineze (dělení buněčného jádra);
cytokineze (dělení cytoplazmy).
Na druhé straně je mitóza rozdělena do pěti fází.
Popis buněčného dělení je založen na datech ze světelné mikroskopie v kombinaci s mikrokinem a na výsledcích světelné a elektronové mikroskopie fixovaných a obarvených buněk.
Regulace buněčného cyklu
K pravidelnému sledu změn v obdobích buněčného cyklu dochází prostřednictvím interakce proteinů, jako jsou cyklin-dependentní kinázy a cykliny. Buňky ve fázi GO mohou vstoupit do buněčného cyklu, když jsou vystaveny růstovým faktorům. Různé růstové faktory, jako jsou krevní destičky, epidermální a nervové růstové faktory, vazbou na své receptory spouštějí intracelulární signální kaskádu, která nakonec vede k transkripci cyklinových genů a cyklin-dependentních kináz. Cyklin-dependentní kinázy se stanou aktivními pouze při interakci s odpovídajícími cykliny. Obsah různých cyklinů v buňce se v průběhu buněčného cyklu mění. Cyklin je regulační složkou komplexu cyklin-cyklin-dependentní kinázy. Katalytickou složkou tohoto komplexu je kináza. Kinázy nejsou aktivní bez cyklinů. Různé cykliny jsou syntetizovány v různých fázích buněčného cyklu. Obsah cyklinu B v žabích oocytech tedy dosahuje maxima v době mitózy, kdy je spuštěna celá kaskáda fosforylačních reakcí katalyzovaných komplexem cyklin B/cyklin-dependentní kináza. Na konci mitózy je cyklin rychle zničen proteinázami.
Výška lidského těla je způsobena zvětšením velikosti a počtu buněk, přičemž to druhé je zajištěno procesem dělení neboli mitózy. Buněčná proliferace nastává pod vlivem extracelulárních růstových faktorů a samotné buňky podstupují opakující se sekvenci událostí známou jako buněčný cyklus.
Existují čtyři hlavní fáze: G1 (presyntetický), S (syntetický), G2 (postsyntetický) a M (mitotický). Následuje separace cytoplazmy a plazmatické membrány, výsledkem jsou dvě identické dceřiné buňky. Fáze Gl, S a G2 jsou součástí mezifáze. K replikaci chromozomů dochází během syntetické fáze neboli S fáze.
Většina buňky nepodléhají aktivnímu dělení; jejich mitotická aktivita je potlačena během fáze GO, která je součástí fáze G1.
Trvání M-fáze je 30-60 minut, přičemž celý buněčný cyklus probíhá asi za 20 hodin V závislosti na věku procházejí normální (nenádorové) lidské buňky až 80 mitotickými cykly.
Procesy buněčného cyklu jsou řízeny postupně opakovanou aktivací a inaktivací klíčových enzymů zvaných cyklin-dependentní proteinkinázy (CDPK), stejně jako jejich kofaktory, cykliny. V tomto případě dochází vlivem fosfokináz a fosfatáz k fosforylaci a defosforylaci speciálních komplexů cyklin-CZK, které jsou zodpovědné za nástup určitých fází cyklu.
Navíc na příslušné etapy podobné proteinům Kč způsobit zhutnění chromozomů, prasknutí jaderného obalu a reorganizaci cytoskeletálních mikrotubulů za účelem vytvoření štěpného vřeténka (mitotického vřeténka).
G1 fáze buněčného cyklu
G1 fáze- mezistupeň mezi M a S fází, během kterého se zvyšuje množství cytoplazmy. Navíc na konci G1 fáze je první kontrolní bod, kde se kontroluje oprava DNA a podmínky prostředí (zda jsou dostatečně příznivé pro přechod do S fáze).
V případě jaderné DNA poškozena, zvyšuje se aktivita proteinu p53, který stimuluje transkripci p21. Ten se váže na specifický komplex cyklin-CZK, zodpovědný za přenos buňky do S-fáze, a inhibuje její dělení ve fázi Gl-fáze. To umožňuje opravným enzymům opravit poškozené fragmenty DNA.
Pokud se objeví patologie replikace proteinu p53 defektní DNA pokračuje, což umožňuje dělícím se buňkám akumulovat mutace a přispívá k rozvoji nádorových procesů. Proto je protein p53 často nazýván „strážcem genomu“.
G0 fáze buněčného cyklu
Buněčná proliferace u savců je možná pouze za účasti buněk vylučovaných jinými buňkami. extracelulární růstové faktory, které uplatňují svůj účinek prostřednictvím kaskádové signální transdukce protoonkogenů. Pokud během fáze G1 buňka nepřijímá vhodné signály, pak opustí buněčný cyklus a vstoupí do stavu G0, ve kterém může setrvat několik let.
Blok G0 nastává pomocí proteinů - supresorů mitózy, z nichž jeden je protein retinoblastomu(Rb protein) kódovaný normálními alelami genu pro retinoblastom. Tento protein se váže na šikmé regulační proteiny, čímž blokuje stimulaci transkripce genů nezbytných pro buněčnou proliferaci.
Extracelulární růstové faktory aktivací blok zničí Gl-specifické komplexy cyklin-CZK, které fosforylují protein Rb a mění jeho konformaci, v důsledku čehož dochází k přerušení spojení s regulačními proteiny. Ty zároveň aktivují transkripci genů, které kódují a které spouštějí proces proliferace.
S fáze buněčného cyklu
Standardní množství Dvoušroubovice DNA v každé buňce je odpovídající diploidní sada jednořetězcových chromozomů obvykle označena jako 2C. Sada 2C je udržována během fáze G1 a zdvojnásobuje se (4C) během fáze S, kdy je syntetizována nová chromozomální DNA.
Počínaje od konce S-fáze a až do fáze M (včetně fáze G2) obsahuje každý viditelný chromozom dvě pevně vázané molekuly DNA nazývané sesterské chromatidy. V lidských buňkách je tedy od konce S-fáze do středu M-fáze 23 párů chromozomů (46 viditelných jednotek), ale 4C (92) dvojitých šroubovic jaderné DNA.
Probíhá mitóza identické sady chromozomů jsou rozděleny mezi dvě dceřiné buňky tak, že každá z nich obsahuje 23 párů molekul 2C DNA. Je třeba poznamenat, že fáze G1 a G0 jsou jediné fáze buněčného cyklu, během kterých 46 chromozomů v buňkách odpovídá 2C sadě molekul DNA.
G2 fáze buněčného cyklu
Druhý kontrolní bod, kde se testuje velikost buněk, je na konci fáze G2, nachází se mezi S fází a mitózou. Navíc v této fázi, před přechodem k mitóze, se kontroluje úplnost replikace a integrita DNA. Mitóza (M-fáze)
1. Profáze. Chromozomy, z nichž každý se skládá ze dvou identických chromatid, začnou kondenzovat a stanou se viditelnými uvnitř jádra. Na opačných pólech buňky se kolem dvou centrosomů z tubulinových vláken začíná vytvářet vřetenovitý aparát.
2. Prometafáze. Jaderná membrána se dělí. Kinetochory se tvoří kolem centromer chromozomů. Tubulinová vlákna pronikají do jádra a koncentrují se v blízkosti kinetochorů, spojují je s vlákny vycházejícími z centrozomů.
3. Metafáze. Napětí vláken způsobuje, že se chromozomy seřadí uprostřed mezi póly vřeténka, čímž se vytvoří metafázová deska.
4. Anafáze. Centromerní DNA sdílená mezi sesterskými chromatidami je duplikována a chromatidy se oddělují a pohybují se od sebe blíže k pólům.
5. Telofáze. Oddělené sesterské chromatidy (které jsou od tohoto okamžiku považovány za chromozomy) dosahují pólů. Kolem každé skupiny se objeví jaderná membrána. Zhutněný chromatin se rozptýlí a vytvoří se jadérka.
6. Cytokineze. Buněčná membrána se stáhne a uprostřed mezi póly se vytvoří štěpná rýha, která po čase oddělí obě dceřiné buňky.
Centrosomový cyklus
V Čas fáze G1 pár centriol spojených s každým centrosomem se oddělí. Během fáze S a G2 se napravo od starých centriol vytvoří nový dceřiný centriol. Na začátku M fáze se centrosom rozdělí a dva dceřiné centrosomy se pohybují směrem k buněčným pólům.
