Cykl Cykl komórkowykomórkowy

Cykl komórkowyCykl komórkowy jest szeregiem zmian jest szeregiem zmian biofizycznych i biochemicznych komórki, biofizycznych i biochemicznych komórki, zachodzących między końcem jednego i zachodzących między końcem jednego i końcem następnego podziału. Jeśli cykl końcem następnego podziału. Jeśli cykl komórkowy kończy się mitozą, wówczas komórkowy kończy się mitozą, wówczas określa się go mianem określa się go mianem cyklu cyklu mitotycznegomitotycznego. Cykl komórkowy składa się . Cykl komórkowy składa się z z interfazyinterfazy, czyli okresu pomiędzy dwoma , czyli okresu pomiędzy dwoma podziałami komórki oraz samego podziału podziałami komórki oraz samego podziału czyli mitozy. W interfazie zachodzi zjawisko czyli mitozy. W interfazie zachodzi zjawisko replikacji materiału genetycznego.replikacji materiału genetycznego.

W czasie mitozy podwojony materiał W czasie mitozy podwojony materiał genetyczny jest rozdzielony w równych genetyczny jest rozdzielony w równych częściach do dwóch potomnych komórek. częściach do dwóch potomnych komórek. Replikacje materiału genetycznego i podział Replikacje materiału genetycznego i podział komórki zachodzące w cyklu komórkowym komórki zachodzące w cyklu komórkowym są podstawą zachowania ciągłości cech są podstawą zachowania ciągłości cech między kolejnymi pokoleniami komórek. między kolejnymi pokoleniami komórek. W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się fazę Gsię fazę G11 (ang. gap – przerwa) między (ang. gap – przerwa) między końcem mitozy, a rozpoczęciem syntezy końcem mitozy, a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę syntezy (faza S) oraz fazę GDNA, fazę syntezy (faza S) oraz fazę G22 między końcem syntezy DNA, a początkiem między końcem syntezy DNA, a początkiem mitozy.mitozy.

InterfazaInterfaza

centrosomcentrosom

błona błona jądrowajądrowa

jąderkojąderko

chromatynachromatyna

cytozolcytozol

błona komórkowabłona komórkowa

InterfazaInterfaza

Faza GFaza G11

Jest okresem życia komórki od końca Jest okresem życia komórki od końca mitozy, do rozpoczęcia syntezy DNA. mitozy, do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórka wchodząca w tę fazę jest Komórka wchodząca w tę fazę jest dwukrotnie mniejsza niż jej komórka dwukrotnie mniejsza niż jej komórka matka. W fazie Gmatka. W fazie G11 wyróżnia się kilka wyróżnia się kilka stadiów oznaczonych jako: Gstadiów oznaczonych jako: G11A, GA, G11B, GB, G11C C itp. W zależności od stopnia syntezy oraz itp. W zależności od stopnia syntezy oraz zawartości RNA i białek trwają one różnie zawartości RNA i białek trwają one różnie długo, nawet w tej samej populacji długo, nawet w tej samej populacji komórek.komórek.

Faza GFaza G11

Faza GFaza G1 1 charakteryzuje się intensywnymi charakteryzuje się intensywnymi procesami anabolicznymi, znacznym procesami anabolicznymi, znacznym stopniem wymian chemicznych z stopniem wymian chemicznych z otoczeniem, oraz wzrostem innych otoczeniem, oraz wzrostem innych przejawów aktywności jak: ruchliwość, przejawów aktywności jak: ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony itp. We pinocytoza, transport przez błony itp. We wczesnej fazie Gwczesnej fazie G1 1 komórka osiąga punkt komórka osiąga punkt restrykcyjny (punkt R) – jeśli go przekroczy, restrykcyjny (punkt R) – jeśli go przekroczy, wówczas podejmuje syntezę DNA i kończy wówczas podejmuje syntezę DNA i kończy cykl podziałem. Jeśli zaś nie może cykl podziałem. Jeśli zaś nie może przekroczyć punktu R, wówczas wchodzi w przekroczyć punktu R, wówczas wchodzi w fazę spoczynkową (faza Gfazę spoczynkową (faza G00).).

Faza SFaza S

Przed każdym podziałem mitotycznym Przed każdym podziałem mitotycznym komórki ilość DNA przypadająca na jądro komórki ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się, aby każda z dwóch potomnych podwaja się, aby każda z dwóch potomnych komórek mogła otrzymać właściwą część komórek mogła otrzymać właściwą część DNA. Podwojenie ilości DNA dokonuje się w DNA. Podwojenie ilości DNA dokonuje się w ograniczonym czasie interfazy zwanym fazą ograniczonym czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S) DNA. Synteza DNA jest syntezy (S) DNA. Synteza DNA jest zaprogramowana genetycznie i nazwano ją zaprogramowana genetycznie i nazwano ją programowaną syntezą DNAprogramowaną syntezą DNA, która , która przebiega według sposobu przebiega według sposobu semikonserwatywnegosemikonserwatywnego, tzn. podwójna , tzn. podwójna spirala DNA ulega rozdzieleniu, a na każdej z spirala DNA ulega rozdzieleniu, a na każdej z 2 nici syntetyzowana jest nowa nić.2 nici syntetyzowana jest nowa nić.

Faza GFaza G22

cyklu komórkowego - między zakończeniem fazy cyklu komórkowego - między zakończeniem fazy S, a rozpoczęciem mitozy. Trwa zazwyczaj kilka S, a rozpoczęciem mitozy. Trwa zazwyczaj kilka godzin. Istotnym procesem zachodzącym w tej godzin. Istotnym procesem zachodzącym w tej fazie jest synteza części białek wrzeciona fazie jest synteza części białek wrzeciona podziałowego, głównie podziałowego, głównie tubulinytubuliny. W fazie G. W fazie G2 2

odbywa się także intensywna produkcja odbywa się także intensywna produkcja składników potrzebnych do odtwarzania błon składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmolemmy komórek w otoczki jądrowej i plazmolemmy komórek w telofazie i cytokinezie. Pod koniec fazy Gtelofazie i cytokinezie. Pod koniec fazy G2 2

następuje uaktywnienie kompleksu p34 – cyklina następuje uaktywnienie kompleksu p34 – cyklina (kinaza fazy H), co inicjuje kaskadę fosforylacji i (kinaza fazy H), co inicjuje kaskadę fosforylacji i defosforylacji białek.defosforylacji białek.

Faza GFaza G00

Faza GFaza G0 0 jest stanem spoczynkowym komórki jest stanem spoczynkowym komórki – komórki funkcjonują, jednak tracą zdolność – komórki funkcjonują, jednak tracą zdolność odtwarzania materiału genetycznego i odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się. Czas trwania tej fazy jest różnie dzielenia się. Czas trwania tej fazy jest różnie długi – od kilku dni, do kilku miesięcy i dłużej. długi – od kilku dni, do kilku miesięcy i dłużej. Pod wpływem różnych bodźców komórki Pod wpływem różnych bodźców komórki mogą z fazy Gmogą z fazy G0 0 wchodzić z powrotem do fazy wchodzić z powrotem do fazy GG1 1 cyklu komórkowego. Im dłużej komórki cyklu komórkowego. Im dłużej komórki pozostają w fazie Gpozostają w fazie G0 0 tym więcej czasu zabiera tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.im wejście w cykl po pobudzeniu.

Wchodzenie w cykl Wchodzenie w cykl komórkowykomórkowy

Do wejścia komórki w cykl prowadzi uruchomienie Do wejścia komórki w cykl prowadzi uruchomienie programu redukcji (programu programu redukcji (programu plejotypowego).plejotypowego). Składają się na niego w Składają się na niego w kolejności pojawiania się:kolejności pojawiania się:- synteza hnRNA i rRNA – 3-12 godzin od chwili - synteza hnRNA i rRNA – 3-12 godzin od chwili zadziałania bodźcazadziałania bodźca- synteza białek enzymatycznych i strukturalnych – - synteza białek enzymatycznych i strukturalnych – 12-36 godzin od zadziałania bodźca12-36 godzin od zadziałania bodźca- synteza DNA i histonów – 18-48 godzin od - synteza DNA i histonów – 18-48 godzin od zadziałania bodźcazadziałania bodźca- synteza białek wrzeciona podziałowego i mitoza – - synteza białek wrzeciona podziałowego i mitoza – 24-72 godziny od zadziałania bodźca.24-72 godziny od zadziałania bodźca.

MitozaMitoza

Jest formą zwiększania liczby komórek Jest formą zwiększania liczby komórek przez podział. Można w niej wyróżnić:przez podział. Można w niej wyróżnić:- kariokinezę czyli podział jądra- kariokinezę czyli podział jądra

- profaza- profaza- prometafaza- prometafaza- metafaza- metafaza- anafaza- anafaza- telofaza- telofaza

- cytokinezę czyli podział cytoplazmy- cytokinezę czyli podział cytoplazmy

KariokinezaKariokineza

Profaza i prometafazaProfaza i prometafaza

• stają się widoczne chromosomy, które powstały z stają się widoczne chromosomy, które powstały z silnie skręconej chromatynysilnie skręconej chromatyny

• chromosomy składają się z dwóch połówek - chromosomy składają się z dwóch połówek - chromatydchromatyd

• zanika jąderkozanika jąderko

• na terenie cytoplazmy organizuje się wrzeciono na terenie cytoplazmy organizuje się wrzeciono podziałowe (w komórkach zwierzęcych uczestniczą podziałowe (w komórkach zwierzęcych uczestniczą w tym centriole)w tym centriole)

• zanika błona jądrowazanika błona jądrowa

błona jądrowabłona jądrowa

centromercentromer

cytozolcytozol

błona błona komórkowakomórkowa

jąderkojąderko

chromosom = 2 siostrzane chromosom = 2 siostrzane chromatydy połączone chromatydy połączone centromeremcentromerem

chromosomchromosomyy

Wczesna profazaWczesna profaza

fragmenty błony fragmenty błony jądrowejjądrowej

mikrotubulemikrotubule

centrosomcentrosom

cytozolcytozol

błona komórkowabłona komórkowa

centromercentromer

chromosom = 2 siostrzane chromatydy chromosom = 2 siostrzane chromatydy połączone centromerempołączone centromerem

Późna profazaPóźna profaza

MetafazaMetafaza

• uwolnione z jądra komórkowego chromosomy przemieszczają się w rejon równika wrzeciona podziałowego

• centromery leżą w płaszczyźnie równika, a w tym miejscu do chromosomów przyczepione są włókna wrzeciona

• centromery pękają

płytka metafazalna płytka metafazalna (równikowa)(równikowa)

centrosomcentrosom

cytozolcytozol

błona błona komórkowakomórkowacentromercentromer

chromosom = 2 siostrzane chromosom = 2 siostrzane chromatydy połączone centromeremchromatydy połączone centromerem

MetafazaMetafaza

AnafazaAnafaza

• włókna wrzeciona kurczą sięwłókna wrzeciona kurczą się

• chromatydy - od tego momentu chromatydy - od tego momentu chromosomy potomne, wędrują ku chromosomy potomne, wędrują ku biegunom wrzeciona podziałowego biegunom wrzeciona podziałowego

centrosomcentrosom

cytozolcytozol

błona błona komórkowakomórkowa

chromosom = 2 siostrzane chromosom = 2 siostrzane chromatydy połączone centromeremchromatydy połączone centromerem

Wczesna anafazaWczesna anafaza

bruzda podziałaowabruzda podziałaowa

chromosomchromosom

błona komórkowabłona komórkowa

Późna anafazaPóźna anafaza

TelofazaTelofaza

• chromosomy potomne rozkręcają się chromosomy potomne rozkręcają się tworząc znów chromatynętworząc znów chromatynę

• odtwarzają się jąderkaodtwarzają się jąderka

• wokół każdego ze skupień wokół każdego ze skupień chromatyny odtwarza się błona chromatyny odtwarza się błona jądrowa jądrowa

TelofazaTelofaza

bruzda podziałaowabruzda podziałaowa

CytokinezaCytokineza

Podział cytoplazmy, który prowadzi do Podział cytoplazmy, który prowadzi do powstania dwóch komórek potomnych. powstania dwóch komórek potomnych. Zaczyna się pod koniec anafazy lub na Zaczyna się pod koniec anafazy lub na początku telofazy powstaniem pierścienia początku telofazy powstaniem pierścienia kurczliwego, który jest nagromadzeniem kurczliwego, który jest nagromadzeniem filamentów aktynowych i miozynowych filamentów aktynowych i miozynowych pod błoną komórkową w płaszczyźnie pod błoną komórkową w płaszczyźnie prostopadłej do długiej osi wrzeciona prostopadłej do długiej osi wrzeciona podziałowego. Pierścień kurczliwy podziałowego. Pierścień kurczliwy powstaje w anafazie, a jego obkurczenie w powstaje w anafazie, a jego obkurczenie w się z początkiem telofazy prowadzi do się z początkiem telofazy prowadzi do powstania powstania bruzdy podziałowejbruzdy podziałowej. .

W procesie cytokinezy poza bruzdą W procesie cytokinezy poza bruzdą podziałową biorą także udział pęcherzyki i podziałową biorą także udział pęcherzyki i zbiorniki siateczki śródplazmatycznej zbiorniki siateczki śródplazmatycznej układające się w płaszczyźnie podziału układające się w płaszczyźnie podziału cytoplazmy i łączą się ze sobą, pomagając cytoplazmy i łączą się ze sobą, pomagając w rozdzieleniu cytoplazmy.w rozdzieleniu cytoplazmy.

Prawidłowa kariokineza przy zahamowanej Prawidłowa kariokineza przy zahamowanej cytokinezie (cytohalazyna B), prowadzi do cytokinezie (cytohalazyna B), prowadzi do powstania komórki 2 – jądrowej.powstania komórki 2 – jądrowej.

Komórki potomneKomórki potomne

Regulacja cyklu Regulacja cyklu komórkowegokomórkowego

Każdy narząd dorosłego organizmu ma Każdy narząd dorosłego organizmu ma charakterystyczny charakterystyczny wskaźnik mitotycznywskaźnik mitotyczny. . Wskaźnik ten może ulegać wahaniom pod Wskaźnik ten może ulegać wahaniom pod wpływem różnych czynników, ale w warunkach wpływem różnych czynników, ale w warunkach prawidłowych wraca do wartości wyjściowych. prawidłowych wraca do wartości wyjściowych. Stan, w którym mimo zmieniających się warunków Stan, w którym mimo zmieniających się warunków wskaźniki mitotyczne pozostają takie same nosi wskaźniki mitotyczne pozostają takie same nosi nazwę nazwę homeostazyhomeostazy mitotycznejmitotycznej. Dzięki niej . Dzięki niej liczba komórek przypadających na określony liczba komórek przypadających na określony narząd organizmu dorosłego nie zmienia się. To z narząd organizmu dorosłego nie zmienia się. To z kolei decyduje o prawidłowości funkcjonowania kolei decyduje o prawidłowości funkcjonowania narządu. Kiedy liczba komórek układu osiąga narządu. Kiedy liczba komórek układu osiąga wartość charakterystyczną dla organizmu wartość charakterystyczną dla organizmu dorosłego, liczba komórek znajdujących się w dorosłego, liczba komórek znajdujących się w cyklu ustala się na stałym poziomie.cyklu ustala się na stałym poziomie.

Kinazy cyklu komórkowegoKinazy cyklu komórkowego

Regulacja cyklu komórkowego odbywa się poprzez Regulacja cyklu komórkowego odbywa się poprzez uruchomienie kaskadowych reakcji uruchomienie kaskadowych reakcji fosforylacjifosforylacji i i defosforylacjidefosforylacji. Fosforylacja jest katalizowana . Fosforylacja jest katalizowana przez kinazy białkowe, a defosforylacja przez przez kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy. Substratami fosfatazy. Substratami kinazkinaz są różne białka jądra są różne białka jądra i cytoplazmy, w których fosforylacji ulegają i cytoplazmy, w których fosforylacji ulegają najczęściej tyrozyna,najczęściej tyrozyna, seryna i treonina. Aktywacja seryna i treonina. Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach masowych cyklu komórkowego: pod koniec fazy Gmasowych cyklu komórkowego: pod koniec fazy G2 2

(co prowadzi do przejścia G(co prowadzi do przejścia G11 w S i zapoczątkowania w S i zapoczątkowania syntezy DNA). Krytyczny przedział masowy syntezy DNA). Krytyczny przedział masowy wczesnej fazy Gwczesnej fazy G11, w którym komórka decyduje się , w którym komórka decyduje się na podział, nazywamy na podział, nazywamy punktem restrykcyjnympunktem restrykcyjnym..

Regulacja wejścia w mitozęRegulacja wejścia w mitozę

Przejście późnej fazy GPrzejście późnej fazy G2 2 w mitozę dokonuje w mitozę dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M się przez aktywację kinazy fazy M (czynnik (czynnik aktywujący dojrzewanie MPF – aktywujący dojrzewanie MPF – maturation promoting factor).maturation promoting factor). Kinaza Kinaza fazy M, czyli MPF jest heterodimerem fazy M, czyli MPF jest heterodimerem białkowym, składającym się z białka o białkowym, składającym się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 kD. masie 34 kD i białka o masie 45 kD. Pierwsze to białko Pierwsze to białko p34p34, drugie to , drugie to cyklinacyklina. . Białko p34 jest kinazą katalizującą Białko p34 jest kinazą katalizującą fosforylację seryny i tyrozyny wielu białek. fosforylację seryny i tyrozyny wielu białek. Poziom makrocząsteczek p34 w komórce, w Poziom makrocząsteczek p34 w komórce, w czasie cyklu komórkowego, jest stały.czasie cyklu komórkowego, jest stały.

Regulacja wejścia w mitozęRegulacja wejścia w mitozę

CyklinyCykliny istnieją w komórkach wielu istnieją w komórkach wielu organizmów jako cykliny A i B, różniące się organizmów jako cykliny A i B, różniące się sekwencją aminokwasów. W czasie cyklu sekwencją aminokwasów. W czasie cyklu komórkowego, począwszy od wczesnej fazy komórkowego, począwszy od wczesnej fazy GG11, cykliny są syntetyzowane de novo i , cykliny są syntetyzowane de novo i dlatego ich poziom w komórkach rośnie w dlatego ich poziom w komórkach rośnie w miarę upływu cyklu. Cykliny osiągają miarę upływu cyklu. Cykliny osiągają maksymalne stężenie w metafazie, po czym maksymalne stężenie w metafazie, po czym ulegają gwałtownemu rozkładowi, ulegają gwałtownemu rozkładowi, prawdopodobnie przez trawienie prawdopodobnie przez trawienie proteinazami.proteinazami.

Regulacja fazy SRegulacja fazy S

Odbywa się poprzez: kontrolę Odbywa się poprzez: kontrolę przechodzenia komórki z Gprzechodzenia komórki z G11 w fazę S, oraz w fazę S, oraz kontrolę kończenia syntezy DNA. kontrolę kończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że białko p34 może łączyc Przypuszcza się, że białko p34 może łączyc się w fazie Gsię w fazie G11 z cyklinami A i B lub innymi z cyklinami A i B lub innymi białkami dając białkami dając kompleks kinazowykompleks kinazowy podobny do kinazy fazy M. Do przejścia S podobny do kinazy fazy M. Do przejścia S w Gw G22 potrzebne są mechanizmy kończące potrzebne są mechanizmy kończące syntezę DNA i zapobiegające ponownej syntezę DNA i zapobiegające ponownej syntezie już zreplikowanych replikonów; syntezie już zreplikowanych replikonów; biorą tu udział kinazy p-34, cyklinabiorą tu udział kinazy p-34, cyklina..

Substraty kinazy fazy MSubstraty kinazy fazy M

Substratami kinazy fazy M są liczne białka Substratami kinazy fazy M są liczne białka jądrowe i niektóre cytoplazmatyczne. Należą jądrowe i niektóre cytoplazmatyczne. Należą do nich do nich Histon H1, białka blaszki Histon H1, białka blaszki jądrowej, nukleolina, białko SW15jądrowej, nukleolina, białko SW15 (regulator transkrypcji endonukleazy), (regulator transkrypcji endonukleazy), antygen Tantygen T (białko aparatu replikacyjnego DNA (białko aparatu replikacyjnego DNA u Sv40).u Sv40). Fosforylacja białek substratowych Fosforylacja białek substratowych przez kinazę fazy M i defosforylacja przez przez kinazę fazy M i defosforylacja przez fosfatazę może powodować fosfatazę może powodować kondensację i kondensację i dekondensację chromatynydekondensację chromatyny, , fragmentację i odbudowanie otoczki fragmentację i odbudowanie otoczki jądrowejjądrowej, a także udział w , a także udział w wytwarzaniu wytwarzaniu wrzeciona podziałowegowrzeciona podziałowego..

Przekazywanie sygnału do wzrostu

Komórki mogą być aktywowane przy pomocy wielu sygnałów wewnętrznych, wśród których należy wymienić czynniki wzrostu, neuromediatory, hormony, bezpośrednie kontakty między komórkami oraz oddziaływanie istoty międzykomórkowej. Sygnały te oddziaływują poprzez receptory powierzchniowe czyli błonowe lub cytoplazmatyczne.