Cykl komórkowy Cykl komórkowy

Cykl komórkowy

Cykl komórkowy

Cykl komórkowy

Cykl 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 mitotycznegocyklu mitotycznego. . Cykl komórkowy składa się z

Cykl komórkowy składa się z interfazyinterfazy, czyli , czyli okresu pomiędzy dwoma podziałami komórki okresu pomiędzy dwoma podziałami komórki

oraz samego podziału czyli mitozy. W oraz samego podziału czyli mitozy. W

interfazie zachodzi zjawisko

interfazie zachodzi zjawisko replikacji replikacji materiału genetycznego.

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 są komórki zachodzące w cyklu komórkowym są

podstawą zachowania ciągłości cech między podstawą zachowania ciągłości cech między

kolejnymi pokoleniami komórek.

kolejnymi pokoleniami komórek.

W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się

fazę G

fazę G₁₁ (ang. gap – przerwa) między końcem (ang. gap – przerwa) między końcem mitozy, a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę mitozy, a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę

syntezy (faza S) oraz fazę G

syntezy (faza S) oraz fazę G₂₂ między końcem między końcem syntezy DNA, a początkiem mitozy.

syntezy DNA, a początkiem mitozy.

Interfaza

Interfaza

centrosom centrosom

błona jądrowa błona jądrowa

jąderko jąderko chromatyna chromatyna cytozol

cytozol

błona komórkowa błona komórkowa Interfaza

Interfaza

Faza G Faza G

Jest okresem życia komórki od końca mitozy, Jest okresem życia komórki od końca mitozy,

do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórka do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórka

wchodząca w tę fazę jest dwukrotnie wchodząca w tę fazę jest dwukrotnie

mniejsza niż jej komórka matka. W fazie G mniejsza niż jej komórka matka. W fazie G1₁

wyróżnia się kilka stadiów oznaczonych jako:

wyróżnia się kilka stadiów oznaczonych jako:

GG1₁A, GA, G1₁B, GB, G1₁C itp. W zależności od stopnia C itp. W zależności od stopnia

syntezy oraz zawartości RNA i białek trwają syntezy oraz zawartości RNA i białek trwają

one różnie długo, nawet w tej samej populacji one różnie długo, nawet w tej samej populacji

komórek.

komórek.

Faza G Faza G

Faza G

Faza G_{1 1} charakteryzuje się intensywnymi charakteryzuje się intensywnymi

procesami anabolicznymi, znacznym stopniem procesami anabolicznymi, znacznym stopniem

wymian chemicznych z otoczeniem, oraz wymian chemicznych z otoczeniem, oraz

wzrostem innych przejawów aktywności jak:

wzrostem innych przejawów aktywności jak:

ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony

itp. We wczesnej fazie G

itp. We wczesnej fazie G1 ₁ komórka osiąga komórka osiąga punkt restrykcyjny (punkt R) – jeśli go

punkt restrykcyjny (punkt R) – jeśli go

przekroczy, wówczas podejmuje syntezę DNA przekroczy, wówczas podejmuje syntezę DNA

i kończy cykl podziałem. Jeśli zaś nie może i kończy cykl podziałem. Jeśli zaś nie może

przekroczyć punktu R, wówczas wchodzi w przekroczyć punktu R, wówczas wchodzi w

fazę spoczynkową (faza G fazę spoczynkową (faza G₀₀).).

Faza S Faza S

Przed każdym podziałem mitotycznym komórki Przed każdym podziałem mitotycznym komórki

ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się, ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się,

aby każda z dwóch potomnych komórek mogła aby każda z dwóch potomnych komórek mogła

otrzymać właściwą część DNA. Podwojenie otrzymać właściwą część DNA. Podwojenie

ilości DNA dokonuje się w ograniczonym ilości DNA dokonuje się w ograniczonym

czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S) czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S)

DNA. Synteza DNA jest zaprogramowana DNA. Synteza DNA jest zaprogramowana

genetycznie i nazwano ją

genetycznie i nazwano ją programowaną programowaną syntezą DNA

syntezą DNA, która przebiega według , która przebiega według sposobu

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 G Faza G

cyklu komórkowego - między zakończeniem fazy S, a cyklu komórkowego - między zakończeniem fazy S, a

rozpoczęciem mitozy. Trwa zazwyczaj kilka godzin.

rozpoczęciem mitozy. Trwa zazwyczaj kilka godzin.

Istotnym procesem zachodzącym w tej fazie jest Istotnym procesem zachodzącym w tej fazie jest

synteza części białek wrzeciona podziałowego, głównie synteza części białek wrzeciona podziałowego, głównie

tubuliny

tubuliny. W fazie G. W fazie G_{2 2} odbywa się także intensywna odbywa się także intensywna produkcja składników potrzebnych do odtwarzania produkcja składników potrzebnych do odtwarzania

błon otoczki jądrowej i plazmolemmy komórek w błon otoczki jądrowej i plazmolemmy komórek w

telofazie i cytokinezie. Pod koniec fazy G

telofazie i cytokinezie. Pod koniec fazy G2 ₂ następuje następuje uaktywnienie kompleksu p34 – cyklina (kinaza fazy H), uaktywnienie kompleksu p34 – cyklina (kinaza fazy H),

co inicjuje kaskadę fosforylacji i defosforylacji co inicjuje kaskadę fosforylacji i defosforylacji

białek.

białek.

Faza G Faza G

Faza G

Faza G_{0 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 mogą z Pod wpływem różnych bodźców komórki mogą z

fazy G

fazy G0 ₀ wchodzić z powrotem do fazy Gwchodzić z powrotem do fazy G1 ₁ cyklu cyklu komórkowego. Im dłużej komórki pozostają w komórkowego. Im dłużej komórki pozostają w

fazie G

fazie G0 ₀ tym więcej czasu zabiera im wejście w tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.

cykl po pobudzeniu.

Wchodzenie w cykl komórkowy Wchodzenie w cykl komórkowy

Do wejścia komórki w cykl prowadzi uruchomienie Do wejścia komórki w cykl prowadzi uruchomienie

programu redukcji (programu plejotypowego).

programu redukcji (programu plejotypowego).

Składają się na niego w kolejności pojawiania się:

Składają się na niego w kolejności pojawiania się:

- synteza hnRNA i rRNA – 3-12 godzin od chwili - synteza hnRNA i rRNA – 3-12 godzin od chwili

zadziałania bodźca zadziałania bodźca

- synteza białek enzymatycznych i strukturalnych – - synteza białek enzymatycznych i strukturalnych –

12-36 godzin od zadziałania bodźca 12-36 godzin od zadziałania bodźca

- synteza DNA i histonów – 18-48 godzin od - synteza DNA i histonów – 18-48 godzin od

zadziałania bodźca zadziałania bodźca

- synteza białek wrzeciona podziałowego i mitoza – 24- - synteza białek wrzeciona podziałowego i mitoza – 24-

72 godziny od zadziałania bodźca.

72 godziny od zadziałania bodźca.

Mitoza Mitoza

Jest formą zwiększania liczby komórek przez Jest formą zwiększania liczby komórek przez

podział. Można w niej wyróżnić:

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

Kariokineza

Kariokineza

Profaza i prometafaza Profaza i prometafaza

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

skręconej chromatyny

• chromosomy składają się z dwóch połówek - chromatydchromosomy składają się z dwóch połówek - chromatyd

• zanika jąderkozanika jąderko

• na terenie cytoplazmy organizuje się wrzeciono na terenie cytoplazmy organizuje się wrzeciono

podziałowe (w komórkach zwierzęcych uczestniczą w podziałowe (w komórkach zwierzęcych uczestniczą w

tym centriole) tym centriole)

• zanika błona jądrowazanika błona jądrowa

błona jądrowa błona jądrowa

centromer centromer

cytozol cytozol

błona komórkowa błona komórkowa

jąderko jąderko

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

połączone centromerem

chromosomy chromosomy

Wczesna profaza Wczesna profaza

fragmenty błony jądrowej fragmenty błony jądrowej mikrotubule mikrotubule

centrosom centrosom cytozol

cytozol

błona komórkowa błona komórkowa centromer

centromer

chromosom = 2 siostrzane chromatydy chromosom = 2 siostrzane chromatydy

połączone centromerem połączone centromerem

Późna profaza Późna profaza

Metafaza Metafaza

• 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 (równikowa) płytka metafazalna (równikowa)

centrosom centrosom cytozol

cytozol

błona komórkowa błona komórkowa centromer

centromer

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

połączone centromerem

Metafaza Metafaza

Anafaza Anafaza

• włókna wrzeciona kurczą się włókna 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

centrosom centrosom

cytozol cytozol

błona komórkowa błona komórkowa chromosom = 2 siostrzane chromatydy chromosom = 2 siostrzane chromatydy połączone centromerem

połączone centromerem Wczesna anafaza Wczesna anafaza

bruzda podziałaowa bruzda podziałaowa

chromosom chromosom

błona komórkowa błona komórkowa Późna anafaza

Późna anafaza

Telofaza Telofaza

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

tworząc znów chromatynę

• odtwarzają się jąderka odtwarzają się jąderka

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

odtwarza się błona jądrowa

Telofaza Telofaza

bruzda podziałaowa bruzda podziałaowa

Cytokineza

Cytokineza

Podział cytoplazmy, który prowadzi do Podział cytoplazmy, który prowadzi do

powstania dwóch komórek potomnych. Zaczyna powstania dwóch komórek potomnych. Zaczyna

się pod koniec anafazy lub na początku się pod koniec anafazy lub na początku

telofazy powstaniem pierścienia kurczliwego, telofazy powstaniem pierścienia kurczliwego,

który jest nagromadzeniem filamentów który jest nagromadzeniem filamentów

aktynowych i miozynowych pod błoną aktynowych i miozynowych pod błoną

komórkową w płaszczyźnie prostopadłej do komórkową w płaszczyźnie prostopadłej do

długiej osi wrzeciona podziałowego. Pierścień długiej osi wrzeciona podziałowego. Pierścień

kurczliwy powstaje w anafazie, a jego kurczliwy powstaje w anafazie, a jego

obkurczenie w się z początkiem telofazy obkurczenie w się z początkiem telofazy

prowadzi do powstania

prowadzi do 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 w cytoplazmy i łączą się ze sobą, pomagając w

rozdzieleniu cytoplazmy.

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 potomne Komórki potomne

Regulacja cyklu komórkowego Regulacja cyklu komórkowego

Każdy narząd dorosłego organizmu ma Każdy narząd dorosłego organizmu ma

charakterystyczny

charakterystyczny wskaźnik mitotycznywskaźnik mitotyczny. Wskaźnik . Wskaźnik ten może ulegać wahaniom pod wpływem różnych

ten może ulegać wahaniom pod wpływem różnych czynników, ale w warunkach prawidłowych wraca do czynników, ale w warunkach prawidłowych wraca do

wartości wyjściowych. Stan, w którym mimo wartości wyjściowych. Stan, w którym mimo

zmieniających się warunków wskaźniki mitotyczne zmieniających się warunków wskaźniki mitotyczne

pozostają takie same nosi nazwę

pozostają takie same nosi nazwę homeostazyhomeostazy mitotycznej

mitotycznej. Dzięki niej liczba komórek . Dzięki niej liczba komórek

przypadających na określony narząd organizmu przypadających na określony narząd organizmu dorosłego nie zmienia się. To z kolei decyduje o dorosłego nie zmienia się. To z kolei decyduje o

prawidłowości funkcjonowania narządu. Kiedy liczba prawidłowości funkcjonowania narządu. Kiedy liczba

komórek układu osiąga wartość charakterystyczną dla komórek układu osiąga wartość charakterystyczną dla organizmu dorosłego, liczba komórek znajdujących się organizmu dorosłego, liczba komórek znajdujących się

w cyklu ustala się na stałym poziomie.

w cyklu ustala się na stałym poziomie.

Kinazy cyklu komórkowego Kinazy cyklu komórkowego

Regulacja cyklu komórkowego odbywa się poprzez Regulacja cyklu komórkowego odbywa się poprzez

uruchomienie kaskadowych reakcji

uruchomienie kaskadowych reakcji fosforylacjifosforylacji i i defosforylacji

defosforylacji. Fosforylacja jest katalizowana przez . Fosforylacja jest katalizowana przez kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy.

kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy.

Substratami

Substratami kinazkinaz są różne białka jądra i cytoplazmy, są różne białka jądra i cytoplazmy, w których fosforylacji ulegają najczęściej tyrozyna, w których fosforylacji ulegają najczęściej tyrozyna,

seryna i treonina. Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch seryna i treonina. Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch

krytycznych przedziałach masowych cyklu krytycznych przedziałach masowych cyklu

komórkowego: pod koniec fazy G

komórkowego: pod koniec fazy G2 ₂ (co prowadzi do (co prowadzi do przejścia G

przejścia G1₁ w S i zapoczątkowania syntezy DNA). w S i zapoczątkowania syntezy DNA).

Krytyczny przedział masowy wczesnej fazy G

Krytyczny przedział masowy wczesnej fazy G1₁, w , w którym komórka decyduje się na podział, nazywamy którym komórka decyduje się na podział, nazywamy

punktem restrykcyjnym punktem restrykcyjnym..

Regulacja wejścia w mitozę Regulacja wejścia w mitozę

Przejście późnej fazy G

Przejście późnej fazy G_{2 2} w mitozę dokonuje w mitozę dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M

się przez aktywację kinazy fazy M (czynnik (czynnik aktywujący dojrzewanie MPF – maturation aktywujący dojrzewanie MPF – maturation

promoting factor).

promoting factor). Kinaza fazy M, czyli MPF Kinaza fazy M, czyli MPF jest heterodimerem białkowym, składającym jest heterodimerem białkowym, składającym

się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45

kD. Pierwsze to białko

kD. 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 mitozę Regulacja wejścia w mitozę

Cykliny

Cykliny 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 G komórkowego, począwszy od wczesnej fazy G₁₁, ,

cykliny są syntetyzowane de novo i dlatego ich cykliny są syntetyzowane de novo i dlatego ich

poziom w komórkach rośnie w miarę upływu poziom w komórkach rośnie w miarę upływu

cyklu. Cykliny osiągają maksymalne stężenie w cyklu. Cykliny osiągają maksymalne stężenie w

metafazie, po czym ulegają gwałtownemu metafazie, po czym ulegają gwałtownemu

rozkładowi, prawdopodobnie przez trawienie rozkładowi, prawdopodobnie przez trawienie

proteinazami.

proteinazami.

Regulacja fazy S Regulacja fazy S

Odbywa się poprzez: kontrolę przechodzenia Odbywa się poprzez: kontrolę przechodzenia

komórki z G

komórki z G₁₁ w fazę S, oraz kontrolę w fazę S, oraz kontrolę

kończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że kończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że

białko p34 może łączyc się w fazie G

białko p34 może łączyc się w fazie G₁₁ z z cyklinami A i B lub innymi białkami dając cyklinami A i B lub innymi białkami dając

kompleks kinazowy

kompleks kinazowy podobny do kinazy fazy M. podobny do kinazy fazy M.

Do przejścia S w G

Do przejścia S w G₂₂ potrzebne są mechanizmy potrzebne są mechanizmy kończące syntezę DNA i zapobiegające

kończące syntezę DNA i zapobiegające ponownej syntezie już zreplikowanych ponownej syntezie już zreplikowanych

replikonów;

replikonów; biorą tu udział kinazy p-34, biorą tu udział kinazy p-34, cyklina

cyklina..

Substraty kinazy fazy M Substraty 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 jądrowej, Histon H1, białka blaszki jądrowej, nukleolina, białko SW15

nukleolina, białko SW15 (regulator (regulator transkrypcji endonukleazy),

transkrypcji endonukleazy), antygen Tantygen T (białko (białko aparatu replikacyjnego DNA u Sv40).

aparatu replikacyjnego DNA u Sv40).

Fosforylacja białek substratowych przez Fosforylacja białek substratowych przez

kinazę fazy M i defosforylacja przez kinazę fazy M i defosforylacja przez

fosfatazę może powodować

fosfatazę może powodować kondensację i kondensację i dekondensację chromatyny

dekondensację chromatyny, , fragmentację i fragmentację i odbudowanie otoczki jądrowej

odbudowanie otoczki jądrowej, a także udział , a także udział w w wytwarzaniu wrzeciona podziałowegowytwarzaniu wrzeciona 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.