uzupełnienie do egzaminu, biotechnologia, biologia komórki

To jest kopia z pamięci podręcznej Google adresu http://www.ib.ap.siedlce.pl/bk_%20cykl.htm. Zdjęcie przedstawia stan strony z 6 Maj 2009 10:25:45 GMT. Aktualna strona może wyglądać inaczej. Więcej informacji

Wersja tekstowa

Te wyszukiwane hasła są podświetlone: cykliny kinazy 

CYKL KOMÓRKOWY

Jest to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem jednego i końcem następnego podziału. Składa  się on z interfazy, czyli okresu między podziałami, oraz samego  podziału, czyli mitozy lub mejozy. W interfazie zachodzi podwojenie materiału  genetycznego,  zaś w czasie mitozy podwojony materiał genetyczny jest rozdzielany w równych częściach do dwóch komórek potomnych. W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się fazę G1- między końcem mitozy a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę S - syntezy DNA, oraz fazę G2- między końcem syntezy DNA a początkiem mitozy. W większości  komórek roślin i zwierząt występuje pełny cykl tj. typu G1+S+G2+M, jednak u części komórek może on być skrócony, i tak w komórkach szybko proliferujących, rosnących w intrefazie np. nici spermatogeniczne w plemniach ramienic brak jest fazy G1, cykl typu S+G2+M. Zaś w kom. szybko proliferujących  bez  wzrostu kom. np. pierwsze podziały zygoty u ssaków, występuje cykl typu S+M.

FAZA G1- jest okresem życia komórki od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórki wchodzące w tą fazę są 2-krotnie mniejsze niż kom. matka. Czas trwania tej fazy jest najbardziej zmienny i wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Faza ta charakteryzuje się intensywnymi  procesami  anabolicznymi, znacznym stopniem wymian chemicznych z otoczeniem oraz wzrostem innych przejawów aktywności jak ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony  itp., co prowadzi  do  wzrostu masy i objętości komórki. Ponadto zachodzą procesy związane z przygotowaniem do replikacji DNA tj. synteza prekursorów DNA oraz enzymów replikacyjnych.

We wczesnej fazie G1 komórka osiąga punkt restrykcyjny R i jeśli go przekroczy, wówczas  podejmie syntezę DNA i zakończy cykl podziałem. Jeśli go nie przekroczy wchodzi w fazę spoczynkową G0. Mechanizm przechodzenia lub nie przez punkt R wiąże się z syntezą, nagromadzeniem i stopniem fosforylacji białek niestabilnych tzw. białek U, które są cyklinami.

FAZA  S  - przed każdym podziałem ilość DNA przypadająca na jądro podwaja  się, dokonuje  się  to w ograniczonym czasie interfazy zwanym  fazą syntezy (S). W fazie S ulega replikacji niemal cały jądrowy  DNA  -tzw.  programowana  synteza  DNA  - według sposobu semikonserwatywnego tj. podwójna spirala ulega rozdzieleniu a na każdej z jej obu nici syntetyzowana jest nowa. Istnieje też nieprogramowana synteza DNA dotycząca niewielkich jego fragmentów (synteza naprawcza). Jest ona następstwem uszkodzeń , mutacji nici DNA i nie jest związana z cyklem komórkowym.

FAZA G2 - obejmuje okres od zakończenia replikacji do rozpoczęcia mitozy i trwa kilka godzin. W tym czasie zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego gł. tubuliny oraz składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmalemmy w telofazie i  cytokinezie,  jak  również  wyznaczenie  płaszczyzny podziału (pierścień preprofazowy). Pod koniec fazy następuje uaktywnienie kinazy fazy M.(=MPF,=czynnik przyspieszający dojrzewanie)  co prowadzi do rozpoczęcia i przeprowadzenia mitozy.

FAZA G0 - jest stanem spoczynkowym komórki - komórki funkcjonują lecz tracą zdolność  odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się. Przejście w tą fazę może nastąpić u zwierząt z G1,u roślin z G1 lub G2. Komórki charakteryzują się obniżonym tempem metabolizmu, mniejszą  aktywnością transkrypcyjną. Czas trwania tej  fazy jest różny, od kilku dni do miesięcy i dłużej. Pod wpływem różnych bodźców komórki z fazy G0 mogą wchodzić w cykl komórkowy, zawsze do fazy w której nastąpiło jego przerwanie. Im dłużej komórki pozostają w fazie G0, tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.

MITOZA  - dzieli się ją na kariokinezę i cytokinezę. W kariokinezie dzielonej na profazę, metafazę, anafazę i telofazę zachodzi  kondensacja  chromatyny, wytworzenie chromosomów, ich podział na chromatydy i przemieszczenie chromatyd do 2 potomnych komórek. Towarzyszy temu  zanik jąderek, otoczki jądrowej oraz wytworzenie aparatu mitotycznego a następnie odbudowa jądra. W cytokinezie następuje podział cytoplazmy.

Regulacja cyklu komórkowego odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji białek. Fosforylacja (przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na odpowiednią resztę aminokwasową białka docelowego) jest katalizowana przez różnorodne kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy. Substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy, a najczęściej fosforylowanymi aminokwasami tych białek są tyrozyna i treonina. Fosforylacja (i defosforylacja) jest jednym z najczęściej używanych przez komórkę sposobów zmiany aktywności białek.

Kinazy białkowe układu kontroli cyklu komórkowego są obecne w komórkach dzielących się podczas całego cyklu. Są jednak aktywowane tylko w odpowiednim okresie cyklu, po czym szybko tracą aktywność. Stąd aktywność każdej z tych kinaz cyklicznie zwiększa się i zmniejsza.

Aktywność kinaz białkowych zależy to od innego zestawu białek układu kontroli — od cyklin. Cykliny same nie mają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego, zanim kinazy te mogą zyskać aktywność enzymatyczną. Stąd kinazy układu kontroli cyklu komórkowego są nazywane kinazami białkowymi zależnymi od cyklin (Cdk - ang. cyclin-dpendent protein kinases). Nazwa cyklin pochodzi stąd, że przeciwnie niż poziom Cdk, ich stężenie zmienia się cyklicznie w cyklu komórkowym.

Cykliny występują w komórkach jako cykliny A i B oraz C, D i E. W czasie cyklu komórkowego cykliny A, C, D i E są syntetyzowane de novo i ich stężenie w komórce rośnie w miarę upływu cyklu, zaś cyklina B jest syntetyzowana w fazie G2. Maksymalne stężenie cyklin występuje w metafazie/ anafazie mitozy, po czym ulega ono obniżeniu na skutek trawienia ich przez proteazy.

Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach czasowych (punktach kontrolnych) cyklu komórkowego: pod koniec fazy G2 (co prowadzi do przejścia G2  ® M , tj. zapoczątkowanie mitozy) oraz w fazie G1 (co prowadzi do przejścia G1  ® S , tj. zapoczątkowanie syntezy DNA). Każdy rodzaj kompleksu cyklina-Cdk działa na różny zestaw białek docelowych w komórce

Stężenie różnych typów cyklin zwiększa się, a potem gwałtownie maleje na skutek degradacji na drodze ubikwitynacji w określonym czasie cyklu komórkowego. Wzrost stężenia każdego typu cykliny wspomaga aktywację jej partnerskiej Cdk, a nagły jego spadek przywraca tę Cdk do stanu nieaktywnego. Powolne gromadzenie się cyklin, aż do krytycznego poziomu, jest jednym ze sposobów pomiaru odstępów czasu między jednym etapem cyklu a następnym w układzie kontroli cyklu komórkowego.

Przejście z późnej fazy G2 do M. dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M, znanej jako czynnik wywołujący dojrzewanie (MPF - maturation promoting factor). Jest ona heterodimerem białkowym składającym się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 kD (cyklina).  W kompleksie tym białko p34 jest kinazą fosforylującą reszty seryny i treoniny wielu białek a cyklina (białko p45) nadaje aktywnemu kompleksowi powinowactwo do odpowiedniego substratu (białka, które ma być ufosforylowane).

Kinaza fazy M powstaje  w fazie G2 w wyniku utworzenia kompleksu p34 z głównie z  B. Kinaza MPF fosforyluje wiele kluczowych białek, zmieniając ich właściwości, np: rozpad otoczki jądrowej zachodzi przez w wyniku fosforylacji i demontażu biegnących pod otoczką jądrową filamentów laminy, podobnie fosforyluje białka towarzyszące mikrotubulom, co zmienia właściwości mikrotubul tak, że tworzą wrzeciono podziałowe, fosforyluje również histon H1 co powoduje kondensację chromosomów.

Regulacja fazy S odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki G1  ® S oraz przez kontrolę zakończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że białko p34 może łączyć się w fazie G1 głównie z cykliną A, D lub E, dając kompleks kinazy podobny do kinazy fazy M, nazywany kinazą fazy S. Aktywność takiej kinazy prowadzi komórki przez punkt startowy = restrykcyjny (w późnej fazie G1). Półokres trwania cyklin G1wynosi zaledwie ok. 15 min., co odpowiada klasie białek niestabilnych (białek U), które znane są od dawna i których nagromadzenie w komórce jest warunkiem przejścia G1  ® S.

Kinazy białkowe zależne od cyklin są regulowane nagromadzaniem i rozpadem cyklin

Regulacja stężenia cyklin ma ważny udział w synchronizacji zjawisk cyklu komórkowego. Na przykład, synteza składnika MPF — cykliny B,  zaczyna się bezpośrednio po podziale i trwa stale podczas interfazy. Cyklina gromadzi się, stąd jej stężenie stopniowo zwiększa się i określa chwilę rozpoczęcia mitozy; jego późniejsze gwałtowne zmniejszenie się rozpoczyna wyjście z mitozy. Nagły spadek stężenia cykliny podczas mitozy jest spowodowany szybkim zniszczeniem cykliny w układzie proteolitycznym zależnym od ubikwityny. Wiele cząsteczek ubikwityny jest kowalencyjnie dołączonych do każdej cząsteczki cykliny, co kieruje ją do degradacji w proteosomach. Ta ubikwitynacja cykliny jest pośrednim wynikiem aktywacji kinazy MPF. Aktywacja MPF rozpoczyna proces prowadzący z opóźnieniem do ubikwitynacji i degradacji cyklin, co z kolei wyłącza kinazę.

Cykl komórkowy może zostać zatrzymany w G1 przez białkowe inhibitory Cdk 

Układ kontroli cyklu komórkowego włącza zdarzenia cyklu w określonej kolejności. Na przykład, włącza mitozę tylko wtedy, gdy cały DNA został zreplikowany oraz pozwala komórce podzielić się na dwie dopiero po zakończeniu mitozy. Jeżeli jeden z etapów zostaje opóźniony, układ kontroli opóźnia aktywację następnych etapów tak, że ich sekwencja zostaje zachowana. Na przykład, ta właściwość samoregulacji układu kontroli zapewnia, że jeżeli synteza DNA zostaje zatrzymana z jakiegoś powodu w fazie S, to komórka nie wejdzie w fazę M z DNA zreplikowanym tylko w połowie.

Większość mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za zahamowanie biegu cyklu komórkowego w punktach kontrolnych jest słabo poznanych. W niektórych przypadkach są za to odpowiedzialne swoiste białkowe inhibitory Cdk; blokują one powstawanie bądź aktywność jednego albo kilku kompleksów cyklina-Cdk. Jeden z lepiej poznanych punktów kontrolnych zatrzymuje cykl komórkowy w G1 po uszkodzeniu DNA, co zapobiega replikacji przez komórkę uszkodzonego DNA. Uszkodzenie DNA powoduje nie poznanym dotąd mechanizmem zwiększenie stężenia i aktywności białka regulatorowego genów, nazwa­nego białkiem p53. Zaktywowane białko p53 zwiększa transkrypcję genu kodującego białkowy inhibitor Cdk, nazywanego p21. To zwiększa stężenie białka p21, które wiąże się z kompleksami cyklina-Cdk fazy S, odpowiedzialnymi za wprowadzenie komórki do fazy S i blokuje ich działanie. Zatrzymanie cyklu komórkowego w G1 daje komórce czas na reperację uszkodzonego DNA, zanim zostanie on zreplikowany. Gdy brak jest białka p53 albo jest ono nieaktywne, zachodzi nieograniczona replikacja uszkodzonego DNA, co zwiększa częstość mutacji i możliwości pojawienia się komórek nowotworowych. Mutacje genu p53, które pozwalają dzielić się komórkom z uszkodzonym DNA, stanowią ważny element w rozwoju większości nowotworów u człowieka.

Komórki mogą zdemontować swój układ kontroli i opuścić cykl komórkowy

Najbardziej radykalna dla układu kontroli cyklu komórkowego jest decyzja o zatrzymaniu podziałów w ogóle. Jest to inna sytuacja niż przerwa powodująca chwilowe opóźnienie w środku cyklu i ma specjalne znaczenie w organizmie wielokomórkowym. U człowieka np. komórki nerwowe i komórki mięśni szkieletowych powinny przetrwać przez całe życie organizmu bez podziałów; wchodzą one w zmodyfikowaną fazę G1 nazywaną G0. W G0 układ kontroli cyklu komórkowego jest częściowo zdemontowany, ponieważ brak w komórce wielu cyklin i Cdk. Pewne typy komórek, np. komórki wątroby, prawidłowo dzielą się raz albo dwa razy w roku, natomiast pewne komórki nabłonkowe jelita dzielą się dwa bądź więcej razy dziennie, by stale odnawiać wyściółkę jelit. Większość naszych komórek mieści się między tymi skrajnościami: mogą się dzielić, gdy zajdzie taka potrzeba, ale zwykle dzielą się rzadko.

Wydaje się ogólną regułą, że komórki ssaków dzielą się tylko wtedy, gdy są pobudzane sygnałami dochodzącymi z innych komórek. Pozbawione tych sygnałów zatrzymują cykl komórkowy w punkcie kontrolnym fazy G1, i wchodzą w stan G0. Komórki mogą pozostawać w G0 przez dni, tygodnie, a nawet lata, zanim się ponownie podzielą. Stąd zmienność częstości podziałów komórek zależy od czasu, jaki komórki pozostają w G0 albo G1; gdy jednak komórka przejdzie punkt kontrolny G1, reszta cyklu komórkowego przebiega szybko, u ssaków typowo w ciągu 12-24 godzin.

Proliferacja komórek zależy od sygnałów z innych komórek

Organizmy jednokomórkowe takie jak bakterie i drożdże mają tendencję, by rosnąć i dzielić się tak szybko, jak to jest możliwe. Szybkość podziałów zależy głównie od dostępności substancji odżywczych w środowisku. Natomiast komórki organizmu wielokomórkowego są wyspecjalizowanymi członkami wysoce zorganizowanej społeczności, a ich proliferacja musi być kontrolowana. Pojedyncza komórka dzieli się tylko wtedy, gdy nowa komórka jest potrzebna organizmowi — ze względu na jego wzrost albo żeby zastąpić utraconą komórkę. Tak więc do proliferacji komórki zwierzęcej nie wystarczą substancje odżywcze. Musi ona jeszcze otrzymać pobudzający sygnał chemiczny od innych komórek, zwykle od sąsiadów. Takie działanie pozwala uniknąć użycia mechanizmów hamowania śródkomórkowego, które ograniczałoby wzrost komórki i blokowało przebieg cyklu komórkowego.

Ważnym przykładem hamowania podziałów komórki jest białko retinoblastoma (Rb), Wiąże się ono z określonymi białkami regulującymi geny, zapobiegając pobudzeniu transkrypcji genów koniecznych do podziałów. Na przykład zewnątrzkomórkowe sygnały, czynniki wzrostu (takie jak: płytkowy czynnik wzrostu, epidermalny czynnik wzrostu,  czynnik wzrostu fibroblastów,  czynnik wzrostu hepatocytów,  erytropoetyna)  pobudzają proliferację odpowiednich komórek. Między innymi powodują aktywację kompleksów cyklina-Cdk fazy G1, fosforylują one białko Rb zmieniając jego konformację tak, że uwalnia ono związane przez siebie czynniki transkrypcyjne - wtedy białka te mogą aktywować geny konieczne do przebiegu podziałów komórki.

Komórki zwierzęce mają zaprogramowane ograniczenie liczby podziałów

Nawet w obecności czynników wzrostu prawidłowe komórki zwierzęce w hodowli nie kontynuują wzrostu bez końca. Te typy komórek, które utrzymują zdolność do podziałów przez całe życie zwierzęcia, gdy pozostają w jego organizmie, zwykle przestają się dzielić po określonej liczbie podziałów w hodowli. Na przykład fibroblasty pobrane z płodu ludzkiego zanim przestaną się dzielić, przechodzą ok. 80 podziałów nawet wtedy, gdy mają wystarczająco dużo pożywienia, czynników wzrostu i miejsca do podziałów. Te zdolności komórek są jednak różne w zależności od wieku osoby, od której pobrano komórki. Fibroblasty pobrane od dorosłej 40-letniej osoby zatrzymują podziały już po ok. 40 cyklach.

Zjawisko to nazywamy starzeniem się komórki odpowiednio do starzenia się całego organizmu. Jednak ta analogia nie jest pewna. Ponieważ w hodowli fibroblasty zarodka myszy przestają się namnażać po 30 podziałach, jest możliwe, że starzenie się komórki może pomagać w wyznaczeniu wielkości ciała. Przypuszcza się, że mysz jest dlatego mniejsza niż my, gdyż jej komórki stają się niewrażliwe na pobudzenie czynnikami wzrostu już po mniejszej liczbie cykli podziałowych.

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek, by uniknąć programowanej śmierci komórki

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek nie tylko do proliferacji, lecz też do przeżycia. Pozbawione takich czynników przeżycia komórki aktywują śródkomórkowy program samobójczy i giną w procesie nazywanym programowaną śmiercią komórki. Ta konieczność otrzymywania od innych komórek sygnałów do przeżycia pomaga w utrzymaniu komórek tylko wtedy, gdy są one potrzebne i tam, gdzie są potrzebne. W tkankach rozwijających się i dojrzałych częstość programowanej śmierci komórek jest bardzo wysoka. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwowym kręgowców ponad połowa komórek nerwowych zwykle obumiera wkrótce po ukształtowaniu się. U zdrowego człowieka w każdej godzinie miliony komórek giną w szpiku kostnym i jelicie.

Programowana śmierć komórek może służyć różnym celom. Na przykład przez programowaną śmierć komórek nasze ręce i stopy są rzeźbione podczas rozwoju zarodkowego- początkowo poszczególne palce rąk i nóg są słabo wyodrębnione a dopiero później są oddzielane, w miarę jak między nimi giną komórki. W innych przypadkach komórki giną, gdy struktury przez nie tworzone nie są potrzebne. Gdy kijanka przekształca się w żabę (metamorfoza), komórki ogona giną, a ogon niepotrzebny już żabie zanika. W jeszcze innych przypadkach śmierć komórek pomaga w regulacji liczby komórek. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwowym śmierć komórek dostosowuje liczbę komórek nerwowych do liczby komórek docelowych wymagających unerwienia. Komórki nerwowe są w zarodku wytwarzane w nadmiarze i potem konkurują o ograniczone ilości czynników przeżycia wydzielanych przez komórki docelowe, z którymi się kontaktują. Komórki nerwowe otrzymujące wystarczającą ilość czynników przeżycia żyją, a inne giną.

W dojrzałych tkankach śmierć komórek równoważy proliferację, by zapobiec przerostowi  narządów bądź ich kurczeniu się.

Programowana śmierć komórki zachodzi z udziałem śródkomórkowej kaskady proteaz

Komórki, które giną w wyniku ostrego urazu, obrzękają i pękają, uwalniając swoją zawartość do otoczenia komórek sąsiednich. Proces nazywany nekrozą (martwicą) komórki, co powoduje potencjalnie uszkadzającą odpowiedź zapalną. Natomiast komórka podlegająca śmierci programowanej  umiera niezauważalnie, bez uszczerbku dla sąsiadów.

Typowy obraz śmierci programowanej w komórkach zwierzęcych to apoptoza. W trakcie apoptozy komórka kurczy się oddzielając się od sąsiednich komórek w tkance, cytoszkielet podlega zniszczeniu, otoczka jądrowa rozpada się, a jądrowy DNA jest cięty na fragmenty. Powierzchnia obumierającej komórki zmienia się  - błona komórkowa pukla się do wewnątrz, odcinając kuliste fragmenty cytoplazmy (ciałka apoptotyczne) zawierające organelle i pocięty, skondensowany DNA jądrowy. Ciałka są szybko fagocytowane przez sąsiednie komórki albo przez makrofagi (wyspecjalizowane komórki fagocytujące), przez co nie następuje uwolnienie zawartości obumierającej komórki do otoczenia.

We wszystkich komórkach zwierzęcych funkcjonuje podobny układ odpowiedzialny za ten rodzaj kontrolowanej śmierci samobójczej. Składa on się z rodziny proteaz (enzymów rozcinających inne białka), które same są aktywowane proteolitycznym rozcięciem będącym odpowiedzią na sygnały indukujące programowaną śmierć komórki. Zaktywowane proteazy rozcinają i tym sposobem aktywują inne proteazy należące do tej samej rodziny białek, co razem stanowi kaskadę proteaz wzmacniającą efekt początkowy. Proteazy rozcinają następnie inne kluczowe białka w komórce, zabijając ją szybko i sprawnie. Na przykład jedna z proteaz rozcina jądrowe białka laminy powodując nieodwracalny rozpad blaszki jądrowej.

Układ śmierci samobójczej jest regulowany sygnałami z innych komórek. Niektóre działają jak sygnały zabijania, aktywując mechanizm samobójstwa komórki. W ten sposób działa hormon tarczycy w ogonie kijanki podczas metamorfozy. Inne działają jako sygnały przeżycia, hamując samobójstwo, by utrzymać komórkę przy życiu.

W organizmie wielokomórkowym programowana śmierć komórki jest zdarzeniem zwyczajnym, normalnym i ogólnie łagodnym. Natomiast niewłaściwa proliferacja i przeżywanie zbędnych komórek stanowią rzeczywiste niebezpieczeństwo – prowadzą do powstania nowotworów.