Selleks, et rakk saaks täielikult jaguneda, peab selle suurus suurenema ja looma piisava arvu organellid. Ja et mitte kaotada pärilikku teavet pooleks jagades, peab ta tegema oma kromosoomidest koopiad. Ja lõpuks, selleks, et pärilikku teavet jaotada rangelt võrdselt kahe tütarraku vahel, peab ta korraldama kromosoomid õiges järjekorras enne nende jaotust tütarrakkude vahel. Kõik need olulised ülesanded lahendatakse rakutsükli jooksul.

Rakutsükkel on hädavajalik, kuna see näitab kõige olulisemat: võimet paljuneda, kasvada ja eristuda. Samuti toimub vahetus, kuid rakutsükli uurimisel seda ei arvestata.

Mõiste määratlus

Rakutsükkel - see on raku eluperiood sünnist kuni tütarrakkude moodustumiseni.

Loomarakkudes kestab rakutsükkel kahe jagunemise (mitoosi) vahelise intervallina keskmiselt 10 kuni 24 tundi.

Rakutsükkel koosneb mitmest perioodist (sünonüüm: faasid), mis korrapäraselt üksteist asendavad. Ühiselt kutsutakse rakutsükli esimesi faase (G1, G0, S ja G2) faasidevaheline , ja viimast faasi nimetatakse.

Joon. 1Rakutsükkel.

Rakutsükli perioodid (faasid)

1. Esimese kasvuperioodi G1 (alates inglise keeles Growth - kasvu) periood on 30–40% tsüklist ja ülejäänud periood G 0

Sünonüümid: postmitootiline (ilmneb pärast mitoosi) periood, presünteetiline (möödub enne DNA sünteesi) periood.

Rakutsükkel algab raku sünnist mitoosi tagajärjel. Pärast jagunemist on tütarrakkude suurus vähenenud ja neis on normaalorganeid vähem. Seetõttu kasvab "vastsündinud" väikerakk rakutsükli (G 1) esimesel perioodil (faasis) ja suureneb ning moodustab ka puuduvad organellid. Selle kõige jaoks on aktiivne valkude süntees. Selle tulemusel muutub lahter täieõiguslikuks, võiks öelda, et "täiskasvanud".

Kuidas lõppeb raku G 1 kasvuperiood?

1. Lahtri sisenemine protsessi. Diferentseerumise tõttu omandab rakk kogu organi ja keha jaoks vajalike funktsioonide täitmiseks eripära. Diferentseerumist käivitavad kontrollivad ained (hormoonid), mis toimivad raku vastavatele molekulaarsetele retseptoritele. Lahter, mis on oma diferentseerimise lõpetanud, langeb jagunemistsüklist välja ja asub puhkeaeg G 0 ... Aktiveerivate ainete (mitogeenide) toimimine on vajalik selleks, et see saaks diferentseeruda ja taastuda rakutsüklisse.
2. Lahtri surm (surm).
3. Rakutsükli järgmisse perioodi sisenemine on sünteetiline.

2. Sünteetiline periood S (ingliskeelsest sünteesist - synthesis) moodustab tsükli 30-50%

Selle perioodi pealkirjas viidatakse sünteesi kontseptsioonile DNA süntees (replikatsioon) ja mitte ühegi teise sünteesiprotsessi jaoks. Pärast esimese kasvuperioodi lõppu teatud suuruse saavutamist siseneb rakk sünteetilisse perioodi ehk faasi S, milles toimub DNA süntees. DNA replikatsiooni tõttu kahekordistab rakk oma geneetilist materjali (kromosoome), kuna tuumas moodustatakse iga kromosoomi täpne koopia. Iga kromosoom muutub kahekordseks ja kogu kromosoomikomplekt kahekordistub või diploidne ... Selle tulemusel on rakk nüüd valmis jagama päriliku materjali võrdselt kahe tütarraku vahel, kaotamata üht geeni.

3. Teise kasvuperioodi G 2 (alates inglise keeles Growth - kasvu) periood on 10-20% tsüklist

Sünonüümid: premitootiline (ilmneb enne mitoosi) periood, sünteesijärgne (ilmneb pärast sünteetilist).

G2 periood on järgmise rakkude jagunemise ettevalmistamine. G2 kasvu teisel perioodil toodab rakk mitoosi jaoks vajalikke valke, eriti spindli jaoks tubuliini; loob energiavaru ATP kujul; kontrollib, kas DNA replikatsioon on täielik, ja valmistub jagamiseks.

4. M mitootilise jaotuse M periood (inglise keeles Mitosis - mitosis) on 5-10% tsüklist

Pärast jagunemist leiab rakk end uude G 1 faasi ja rakutsükkel lõpeb.

Rakutsükli reguleerimine

Molekulaarsel tasemel reguleerib tsükli ühest faasist teise üleminekut kaks valku - tsükliinja tsükliinist sõltuv kinaas (CDK).

Rakutsükli reguleerimiseks kasutatakse regulatoorsete valkude pöörduva fosforüülimise / defosforüülimise protsessi, s.o. neile fosfaatide lisamine järgneva elimineerimisega. Põhiaine, mis reguleerib raku sisenemist mitoosi (st selle üleminekut faasist G 2 faasi M), on spetsiifiline seriini / treoniini proteiinkinaasmis kannab nime küpsemisfaktor - FS või MPF, ingliskeelset küpsemist soodustavast tegurist. Aktiivsel kujul katalüüsib see valguensüüm paljude mitoosis osalevate valkude fosforüülimist. Need on näiteks histoon H1, mis on osa kromatiinist, lamiinist (tuumamembraanis paikneva tsütoskeleti komponent), transkriptsioonifaktoritest, mitootiliste spindli valkudest ja mitmetest ensüümidest. Nende valkude fosforüülimine küpsemisfaktori MPF abil aktiveerib neid ja alustab mitoosi protsessi. Pärast mitoosi lõppemist on PS regulatiivne allüksus, tsükliin, on märgistatud ubikvitiiniga ja see laguneb (proteolüüs). Nüüd on käes kord valgu fosfataas, mis defosforüülivad mitoosis osalenud valke, mis muudavad need passiivseks. Selle tulemusel naaseb rakk faasidevahelisse olekusse.

PS (MPF) on heterodimeerne ensüüm, mis sisaldab regulatoorset subühikut, nimelt tsükliini, ja katalüütilist subühikut, nimelt tsükliinist sõltuvat kinaasi CDK (CDK inglise tsükliini sõltuvast kinaasist), teise nimega p34cdc2; 34 kDa. Selle ensüümi aktiivne vorm on ainult CDK + tsükliini dimeer. Lisaks sellele reguleerib CDC aktiivsust ensüümi enda pöörduv fosforüülimine. Tsükliinid said selle nime seetõttu, et nende kontsentratsioon muutub tsükliliselt vastavalt rakutsükli perioodidele, eriti väheneb see enne rakkude jagunemise algust.

Selgroogsetes rakkudes on mitmeid erinevaid tsükliine ja tsükliinist sõltuvaid kinaase. Kahe ensüümi alaühiku erinevad kombinatsioonid reguleerivad mitoosi algust, transkriptsiooniprotsessi algust G1-faasis, kriitilise punkti üleminekut pärast transkriptsiooni lõpuleviimist, DNA replikatsiooniprotsessi algust interfaasi S-perioodil (algussiire) ja muid rakutsükli võtmesiirdeid (joonisel pole näidatud).
Konnaotsüütides reguleeritakse mitoosi sisenemist (G2 / M üleminek) tsükliini kontsentratsiooni muutmisega. Tsükliini sünteesitakse pidevalt interfaasis, kuni saavutatakse maksimaalne kontsentratsioon M-faasis, kui käivitatakse kogu PS-i poolt katalüüsitav valgu fosforüülimise kaskaad. Mitoosi lõpuks hävitatakse tsükliin kiiresti proteinaaside poolt, mida aktiveerib ka PS. Teistes rakusüsteemides reguleerib PS aktiivsust ensüümi enda erineval määral fosforüülimisega.

Organismide paljunemine ja areng, päriliku teabe edastamine, regenereerimine põhineb rakkude jagunemisel. Lahter kui selline eksisteerib ainult jagunemiste vahelises ajavahemikus.

Rakkude eksistentsi perioodi alates moodustumisest emaraku jagunemisel (s.o selle perioodi hulka arvatakse ka jagunemine ise) kuni tema enda jagunemise või surma hetkeni nimetatakse eluline või rakutsükkel.

Lahtri elutsükkel on jagatud mitmeks faasiks:

• jagunemisfaas (see etapp toimub siis, kui toimub mitootiline jagunemine);
• kasvufaas (kohe pärast jagunemist algab rakkude kasv, nende maht suureneb ja saavutab teatud kindla suuruse);
• puhkefaas (selles faasis pole raku saatus tulevikus veel kindlaks määratud: rakk võib hakata jagunemiseks valmistuma või asuma spetsialiseerumise rada pidi);
• diferentseerumise faas (spetsialiseerumine) (toimub kasvufaasi lõpus - sel ajal saab rakk teatud struktuurilised ja funktsionaalsed omadused);
• küpsusfaas (raku toimimise periood, teatud funktsioonide täitmine, sõltuvalt spetsialiseerumisest);
• vananemisfaas (raku elutähtsate funktsioonide nõrgenemise periood, mis lõpeb selle jagunemise või surmaga).

Rakutsükli kestus ja selles sisalduvate faaside arv on rakkudes erinevad. Näiteks lõpetavad närvikoe rakud pärast embrüonaalse perioodi lõppu jagunemist ja funktsioneerivad kogu organismi elu jooksul ning surevad. Teine näide on embrüo rakud. Purustamise etapis liiguvad nad pärast ühe jaotuse lõpuleviimist kohe järgmisse, ületades samal ajal kõik muud faasid.

Rakkude jagunemiseks on järgmised viisid:

1. mitoos või karüokinees - kaudne jagunemine;
2. meioos või reduktsioonijaotus - jagunemine, mis on iseloomulik sugurakkude küpsemisfaasile või eoste tekkele kõrgemates spooritaimedes.

Mitoos on pidev protsess, mille tulemusel esmalt toimub päriliku materjali kahekordistumine ja seejärel ühtlane jaotumine tütarrakkude vahel. Mitoosi tagajärjel ilmub kaks rakku, igaüks neist sisaldab sama palju kromosoome kui emarakk. Sest tütarrakkude kromosoomid pärinevad emade kromosoomidest täpse DNA replikatsiooni abil, nende geenidel on täpselt sama pärilik teave. Tütarrakud on geneetiliselt identsed lähterakuga.
Seega toimub mitoosi ajal päriliku teabe täpne ülekandmine vanemlikest tütarrakkudest. Rakkude arv kehas suureneb mitoosi tagajärjel, mis on üks peamisi kasvu mehhanisme. Tuleb meeles pidada, et erineva kromosoomikomplektiga rakud saavad mitoosi järgi jaguneda - mitte ainult diploidsed (enamiku loomade somaatilised rakud), vaid ka haploidsed (paljud vetikad, kõrgemate taimede gametofüüdid), triploidsed (angiospermi endospermid) või polüploidsed.

On palju liike taimi ja loomi, kes paljunevad aseksuaalselt ainult ühe mitootilise rakujaotuse kaudu, s.o. mitoos on aseksuaalse paljunemise aluseks. Tänu mitoosile asendatakse rakud ja taastatakse kaotatud kehaosad, mis esinevad alati kõigil mitmerakulistel organismidel ühel või teisel määral. Rakkude mitootiline jagunemine toimub täieliku geneetilise kontrolli all. Mitoos on raku mitootilise tsükli keskne sündmus.

Mitootiline tsükkel - omavahel seotud ja kronoloogiliselt määratud sündmuste kompleks, mis esinevad raku ettevalmistamisel jagunemiseks ja raku jagunemise ajal ka ise. Mitoositsükli kestus võib erinevates organismides olla väga erinev. Lühimad mitootilised tsüklid leiavad aset mõne looma munarakkude lõhestamisel (näiteks kuldkalades tekivad esimesed lõhestamised iga 20 minuti järel). Mitootiliste tsüklite kõige tavalisem kestus on 18-20 tundi. Samuti on tsüklid, mis kestavad mitu päeva. Isegi ühe organismi erinevates organites ja kudedes võib mitootilise tsükli kestus olla erinev. Näiteks hiirtel jagunevad kaksteistsõrmiksoole epiteelkoe rakud iga 11 tunni järel, jejunumi iga 19 tunni järel ja silma sarvkesta iga 3 päeva tagant.

Täpselt, millised tegurid põhjustavad raku mitoosi, pole teadlastele teada. Võib eeldada, et siin mängib peamist rolli tuuma-tsütoplasmaatiline suhe (tuuma mahtude ja tsütoplasma suhe). Samuti on tõendeid selle kohta, et surevad rakud toodavad aineid, mis võivad stimuleerida rakkude jagunemist.

Mitootitsüklis eristatakse kahte peamist sündmust: faasidevaheline ja ise jagunemine .

Uusi rakke moodustatakse kahes järjestikuses protsessis:

1. mitoos, mis viib tuuma kahekordistumiseni;
2. tsütokinees - tsütoplasma jagunemine, milles ilmuvad kaks tütarrakku, millest igaüks sisaldab ühte tütartuuma.

Rakkude jagunemine ise võtab tavaliselt 1–3 tundi, seetõttu kulgeb raku põhiosa faaside vahel. Interfaas nimetatakse ajavahemikuks kahe lahtri jagunemise vahel. Interfaasi kestus on tavaliselt kuni 90% kogu rakutsüklist. Interfaas koosneb kolmest perioodist: presünteetiline või G1, sünteetiline või S ja postsünteetiline või G2.

Presünteetiline Periood on pikim faas, mis kestab 10 tundi kuni mitu päeva. Vahetult pärast jagunemist taastatakse faasidevahelise raku korralduse tunnused: tuumiku moodustumine on lõpule viidud, tsütoplasmas toimub intensiivne valkude süntees, mis viib rakumassi suurenemiseni, moodustub DNA eellaste põhivarud, DNA replikatsioonireaktsiooni katalüüsivad ensüümid jne. Need. presünteesiperioodil toimuvad interfaasi järgmise perioodi - sünteetilise - ettevalmistusprotsessid.

Kestus sünteetiline periood võib varieeruda: bakterites on see mitu minutit, imetajarakkudes 6 kuni 12 tundi. Sünteetilise perioodi jooksul toimub DNA molekulide kahekordistumine - interfaasi peamine sündmus. Sel juhul muutub iga kromosoom dikromatiidiks ja nende arv ei muutu. Samaaegselt DNA replikatsiooniga tsütoplasmas toimub intensiivne kromosoomide moodustavate valkude sünteesiprotsess.

Hoolimata asjaolust, et perioodi G 2 nimetatakse postsünteetiline , sünteesi protsessid vahefaasi selles etapis jätkuvad. Seda nimetatakse postsünteetiliseks ainult seetõttu, et see algab pärast DNA sünteesi (replikatsiooni) protsessi lõppu. Kui kasv ja ettevalmistamine DNA sünteesiks toimub presünteesiperioodil, siis sünteesijärgsel perioodil valmistatakse rakk jagunemiseks, mida iseloomustavad ka intensiivsed sünteesiprotsessid. Sel perioodil jätkub kromosoome moodustavate valkude sünteesiprotsess; sünteesitakse energeetilisi aineid ja ensüüme, mis on vajalikud rakkude jagunemise protsessi tagamiseks; algab kromosoomide spiraalumine, sünteesitakse valgud, mis on vajalikud raku mitootilise aparaadi (jagunemisvõlli) ehitamiseks; toimub tsütoplasma massi suurenemine ja tuumade maht suureneb oluliselt. Postünteesiperioodi lõpus hakkab rakk jagunema.

Rakutsükkel

Rakutsükkel on raku olemasolu periood alates selle moodustumisest emaraku jagunemisel kuni selle enda jagunemiseni või surmani.

Eukarüootse rakutsükli kestus

Rakutsükli pikkus varieerub lahtriti. Kiiresti paljunevad täiskasvanud organismide rakud, näiteks epidermise ja peensoole vereloome- või basaalrakud, võivad siseneda rakutsüklisse iga 12–36 tunni järel. Okasnahksete, kahepaiksete ja teiste loomade munade kiirel lagundamisel täheldatakse lühikesi rakutsüklit (umbes 30 minutit). Katsetingimustes on paljudel rakukultuuriliinidel lühike rakutsükkel (umbes 20 tundi). Kõige aktiivsemalt jagunevates rakkudes on mitooside vaheline periood umbes 10–24 tundi.

Eukarüootse rakutsükli faasid

Eukarüootne rakutsükkel koosneb kahest perioodist:

Rakkude kasvuperiood, mida nimetatakse "interfaasiks", mille jooksul sünteesitakse DNA ja valgud ning toimub rakkude jagunemise ettevalmistamine.

Rakkude jagunemise periood, mida nimetatakse "faasiks M" (sõnast mitoos - mitoos).

Interfaas koosneb mitmest perioodist:

G1-faas (ingliskeelsest lõhest - tühimik) ehk algse kasvu faas, mille jooksul toimub mRNA, valkude, muude rakuliste komponentide süntees;

S-faas (ingliskeelsest sünteesist - sünteetiline), mille käigus replitseeritakse raku tuuma DNA ja ka tsentrioolid kahekordistuvad (kui nad muidugi on).

G2 faas, mille jooksul toimub ettevalmistus mitoosiks.

Diferentseerunud rakkudel, mis enam ei jagune, võib rakutsüklis puududa Gl faas. Sellised rakud on G0 puhkefaasis.

Rakkude jagunemise periood (faas M) koosneb kahest etapist:

mitoos (raku tuuma jagunemine);

tsütokinees (tsütoplasma jagunemine).

Mitoos jaguneb omakorda viieks etapiks, in vivo moodustavad need kuus etappi dünaamilise järjestuse.

Rakkude jagunemise kirjeldus põhineb valguse mikroskoopia andmetel koos mikrokinoga ning fikseeritud ja värvitud rakkude valguse ja elektronide mikroskoopia tulemustel.

Rakutsükli reguleerimine

Rakutsükli perioodide muutmise regulaarne järjestus viiakse läbi valkude, näiteks tsükliinist sõltuvate kinaaside ja tsükliinide interaktsiooni ajal. G0 faasi rakud võivad kasvufaktoritega kokkupuutel siseneda rakutsüklisse. Erinevad kasvufaktorid, näiteks trombotsüütide, epidermise ja närvide kasvufaktorid, vallandades nende retseptoritega, käivitavad rakusisese signaaliülekande kaskaadi, mis viib lõpuks tsükliinide ja tsükliinist sõltuvate kinaaside geenide transkriptsioonini. Tsükliinist sõltuvad kinaasid muutuvad aktiivseks ainult siis, kui nad toimivad koos vastavate tsükliinidega. Erinevate tsükliinide sisaldus rakus muutub kogu rakutsükli vältel. Tsükliin on tsükliin-tsükliinist sõltuva kinaasi kompleksi regulatiivne komponent. Kinaas on selle kompleksi katalüütiline komponent. Kinaasid on passiivsed ilma tsükliinideta. Rakutsükli erinevates etappides sünteesitakse erinevaid tsükliine. Seega saavutab tsükliin B sisaldus konnaotsüütides maksimumi mitoosi hetkeks, kui algab kogu tsükliin-B / tsükliinist sõltuva kinaasi kompleksi katalüüsitud fosforüülimisreaktsioonide kaskaad. Mitoosi lõpuks laguneb tsükliin proteinaaside poolt kiiresti.

Rakutsükli kontrollpunktid

Lahtritsükli iga faasi lõpu kindlaksmääramiseks on vaja, et selles oleksid kontrollpunktid. Kui lahter "läbib" kontrollpunkti, siis see "liigub" mööda rakutsüklit. Kui mõni asjaolu, näiteks DNA kahjustus, takistab raku läbimist kontrollpunktist, mida saab võrrelda omamoodi kontrollpunktiga, siis rakk peatub ja rakutsükli teist faasi ei toimu, vähemalt seni, kuni takistused on kõrvaldatud. mitte lasta puuril kontrollpunkti läbida. Rakutsükli kontrollpunkte on vähemalt neli: punkt G1-s kontrollitakse DNA puutumatust enne S-faasi sisenemist, S-faasi kontrollpunkt, kus kontrollitakse õiget DNA replikatsiooni, kontrollpunkt G2-s, kus kontrollitakse puuduvaid kahjustusi. eelmiste kontrollpunktide läbimisel või rakutsükli järgmistel etappidel saadud tulemuste saamiseks. G2 faasis tuvastatakse DNA replikatsiooni täielikkus ja rakud, milles DNA alareplitseeruvad, ei sisene mitoosi. Lõhkevõlli sõlme kontrollpunktis kontrollitakse, kas kõik kinetokoored on mikrotuubulite külge kinnitatud.

Rakutsükli häired ja tuumori moodustumine

Suurenenud p53 valkude süntees põhjustab p21 valkude sünteesi, rakutsükli inhibiitori, esilekutsumist

Rakutsükli halvenenud reguleerimine on enamiku tahkete kasvajate põhjus. Lahtritsüklis, nagu juba mainitud, on kontrollpunktide läbimine võimalik ainult siis, kui eelmised etapid viiakse tavapäraselt lõpule ja jaotusi pole. Kasvajarakke iseloomustavad muutused rakutsükli kontrollpunktide komponentides. Kui rakutsükli kontrollpunktid on inaktiveeritud, täheldatakse mõnede tuumori supressorite ja protoonkogeenide, eriti p53, pRb, Myc ja Ras, talitlushäireid. P53 valk on üks transkriptsioonifaktoritest, mis initsieerib p21 valgu sünteesi, mis on CDK-tsükliini kompleksi inhibiitor, mis viib rakutsükli peatamiseni Gl ja G2 perioodidel. Seega ei sisene kahjustatud DNA-ga rakk S-faasi. Mutatsioonidega, mis viivad p53 valgugeenide kaotamiseni või nende muutumiseni, rakutsükli blokeeringut ei toimu, rakud sisenevad mitoosi, mis viib mutantsete rakkude ilmumiseni, millest enamik on elujõuetud, teine \u200b\u200baga tekitab pahaloomulisi rakke.

Tsükliinid on valkude perekond, mis aktiveerivad tsükliinist sõltuvaid kinaase (CDK), peamisi ensüüme, mis osalevad eukarüootse rakutsükli reguleerimises. Tsükliinid said oma nime tänu sellele, et nende rakusisene kontsentratsioon muutub perioodiliselt, kui rakud läbivad rakutsüklit, saavutades selle teatud etappides maksimumi.

Tsükliinist sõltuva proteiinkinaasi katalüütiline subühik aktiveeritakse osaliselt interaktsiooni kaudu tsükliini molekuliga, mis moodustab ensüümi regulatiivse subühiku. Selle heterodimeeri moodustumine on võimalik pärast tsükliini kriitilise kontsentratsiooni saavutamist. Vastusena tsükliini kontsentratsiooni langusele inaktiveeritakse ensüüm. Tsükliinist sõltuva proteiinkinaasi täielikuks aktiveerimiseks peab toimuma selle kompleksi polüpeptiidahelate teatud aminohappejääkide spetsiifiline fosforüülimine ja defosforüleerimine. Üks ensüüme, mis selliseid reaktsioone läbi viib, on CAK-kinaas (CAK-CDK-d aktiveeriv kinaas).

Tsükliinist sõltuv kinaas

Tsükliinist sõltuvad kinaasid (CDK) on valkude rühm, mida reguleerivad tsükliin ja tsükliinitaolised molekulid. Enamik CDK-sid on seotud rakutsükli faasimuutusega; nad reguleerivad ka mRNA transkriptsiooni ja töötlemist. CDK-d on seriini / treoniini kinaasid, fosforüülides vastavaid valgujääke. Tuntakse mitmeid CDK-sid, millest aktiveeritakse üks või enam tsükliini ja muud sarnast molekuli pärast nende kriitilise kontsentratsiooni saavutamist, pealegi on CDK-d enamasti homoloogsed, erinedes peamiselt tsükliini sidumissaiti konfiguratsioonis. Vastuseks konkreetse tsükliini rakusisese kontsentratsiooni vähenemisele toimub vastava CDK pöörduv inaktiveerimine. Kui CDK-sid aktiveerib tsükliinide rühm, hoiab igaüks neist, kui nad valgukinaase teineteisele viivad, CDK aktiveeritud olekus pikka aega. Sellised CDK aktiveerimise lained esinevad rakutsükli G1 ja S faasis.

CDK-de ja nende regulaatorite loetelu

CDK1; tsükliin A, tsükliin B

CDK2; tsükliin A, tsükliin E

CDK4; tsükliin D1, tsükliin D2, tsükliin D3

CDK5; CDK5R1, CDK5R2

CDK6; tsükliin D1, tsükliin D2, tsükliin D3

CDK7; tsükliin H

CDK8; tsükliin C

CDK9; tsükliin T1, tsükliin T2a, tsükliin T2b, tsükliin K

CDK11 (CDC2L2); tsükliin L

Amitoos (või otsene rakujagunemine) toimub eukarüootsetes somaatilistes rakkudes harvemini kui mitoos. Esmakordselt kirjeldas seda saksa bioloog R. Remak 1841. aastal, selle termini pakkus välja histoloog. V. Flemming hiljem - 1882. aastal. Enamikul juhtudest täheldatakse amitoosi vähendatud mitootilise aktiivsusega rakkudes: need on vananevad või patoloogiliselt muutunud rakud, mis on sageli surma põhjustatud (imetajate embrüo membraanide rakud, tuumorirakud jne). Amitoosi korral on tuuma faasidevaheline olek morfoloogiliselt säilinud, tuumake ja tuumaümbris on selgelt nähtavad. DNA replikatsiooni ei toimu. Kromatiini spiraali ei toimu, kromosoome ei tuvastata. Rakk säilitab oma loomupärase funktsionaalse aktiivsuse, mis mitoosi ajal peaaegu täielikult kaob. Amitoosiga jaguneb ainult tuum ja ilma lõhustumisvõlli moodustamata jaotatakse pärilik materjal juhuslikult. Tsütokineesi puudumine põhjustab binukleaarsete rakkude moodustumist, mis hiljem ei pääse normaalsesse mitootilisse tsüklisse. Korduva amitoosiga võivad moodustuda mitmetuumalised rakud.

See mõiste kujutas mõnes õpikus ette alles 1980ndateni. Praegu arvatakse, et kõik amitoosile omistatavad nähtused on ebapiisavalt kvaliteetsete mikroskoopiliste preparaatide vale tõlgendamise tulemus või rakkude hävitamise või muude patoloogiliste protsessidega kaasnevate nähtuste tõlgendamine rakujagunemisena. Samal ajal ei saa eukarüootsete tuumade jagunemise mõnda varianti nimetada mitoosiks või meioosiks. See on näiteks paljude siliaatide makrotuumade jagunemine, kus kromosoomide lühikeste fragmentide segregatsioon toimub ilma spindli moodustamata.

Rakkude jagunemise bioloogiline tähtsus. Uued lahtrid tekivad olemasolevate jagamisel. Kui üherakuline organism jaguneb, moodustatakse sellest kaks uut. Ka mitmerakuline organism alustab oma arengut, enamasti ühest rakust. Mitme jaotuse kaudu moodustub tohutu hulk rakke, mis moodustavad keha. Rakkude jagunemine tagab organismide paljunemise ja arengu, mis tähendab elu jätkumist Maal.

Rakutsükkel - raku elu alates selle moodustumisest emaraku jagunemisprotsessis kuni tema enda jagunemiseni (sealhulgas see jagunemine) või surmani.

Selle tsükli jooksul kasvab ja areneb iga rakk selliselt, et saaks kehas oma funktsioone edukalt täita. Seejärel toimib rakk teatud aja jooksul, mille järel see kas jaguneb, moodustades tütarrakud, või sureb.

Erinevat tüüpi organismides võtab rakutsükkel erinevat aega: näiteks in bakterid see kestab umbes 20 minutit, loovad kingad - 10 kuni 20 tundi. Mitmerakuliste organismide rakud arengu varases staadiumis jagunevad sageli ja seejärel pikenevad rakutsüklid. Näiteks jagunevad ajurakud vahetult pärast inimese sündi tohutult palju kordi: sel perioodil moodustatakse 80% aju neuronitest. Kuid enamik neist rakkudest kaotab kiiresti võime jaguneda ja mõned jäävad ellu kuni keha loomuliku surmani, mitte ei jagune üldse.

Rakutsükkel koosneb interfaasist ja mitoosist (joonis 54).

Interfaas- lahtritsükli intervall kahe jaotuse vahel. Kogu interfaasi vältel ei ole kromosoomid spiraalsed, need paiknevad rakutuumas kromatiini kujul. Interfaas koosneb reeglina kolmest perioodist: eelsünteetiline, sünteetiline ja post-sünteetiline.

Presünteetiline periood (G,)- interfaasi pikim osa. See võib erinevat tüüpi rakkudes kesta 2 - 3 tundi kuni mitu päeva. Sel perioodil rakk kasvab, selles kasvab organellide arv, energiat ja aineid koguneb DNA järgnevaks kahekordistamiseks - Gj-perioodi jooksul koosneb iga kromosoom ühest kromatiidist, see tähendab kromosoomide arvust ( p) ja kromatiidid (alates) tikud. Kromosoomide ja kromosoomide komplekt

diploidi raku matid (DNA molekulid) rakutsükli G r perioodil võivad olla ekspresseeritud 2p2s.

Sünteetilisel perioodil (S)toimub DNA dubleerimine, samuti kromosoomide järgnevaks moodustamiseks vajalike valkude süntees. INsamal perioodil toimub tsentrioolide kahekordistumine.

DNA kahekordistumist nimetatakse replikatsioon.Replikatsiooni ajal lõikavad spetsiaalsed ensüümid algse lähtemolekuli kaks ahelat, lõhkudes vesiniksidemeid komplementaarsete nukleotiidide vahel. DNA polümeraasi, peamise replikatsiooni ensüümi, molekulid seonduvad eraldatud ahelatega. Seejärel hakkavad DNA polümeraasi molekulid liikuma mööda lähteahelaid, kasutades neid mallidena, ja sünteesivad uusi tütahelaid, valides nende jaoks nukleotiidid vastavalt komplementaarsuse põhimõttele (joonis 55). Näiteks kui mõnel lähteahela ahelal on nukleotiidijärjestus A C G T G A, näeb tütarahela osa välja selline: THCATsT. INseetõttu viidatakse replikatsioonile maatriksi sünteesi reaktsioonid. INreplikatsiooni tulemusel moodustuvad kaks identset kaheahelalist DNA molekuli INnende kõigi kompositsioon sisaldab ühte algset lähtemolekuli ahelat ja ühte äsja sünteesitud tütarahelat.

S-perioodi lõpuks koosneb iga kromosoom juba kahest identsest õdekromatiidist, mis on omavahel ühendatud tsentromeeri piirkonnas. Kromatiidide arv igas homoloogsete kromosoomide paaris võrdub neljaga. Seega väljendatakse diploidse raku kromosoomide ja kromatiidide komplekti S-perioodi lõpus (st pärast replikatsiooni) märkega 2p4s.

Sünteesijärgne periood (G 2)toimub pärast DNA dubleerimist - sel ajal akumuleerib rakk energiat ja sünteesib eelseisvaks jagunemiseks valke (näiteks valgu tubuliin mikrotuubulite ehitamiseks, mis hiljem moodustavad jagunemisvõlli). Kogu C2 perioodi vältel jääb rakus kromosoomide ja kromatiidide komplekt muutumatuks - 2n4s.

Interfaas lõpeb ja algab jagunemine,mille tulemusena moodustuvad tütarrakud. Mitoosi (peamine eukarüootsete rakkude jagunemise viis) ajal eraldatakse iga kromosoomi õdekromatiidid üksteisest ja sisenevad erinevatesse tütarrakkudesse. Järelikult on uues rakutsüklis sisenevatel noortel tütarrakkudel komplekt 2p2s.

Seega hõlmab rakutsükkel perioodi alates raku tekkimisest kuni selle täieliku jagunemiseni kaheks tütarrakuks ja hõlmab vahefaase (G r, S-, C2-perioode) ja mitoosi (vt joonis 54). See rakutsükli perioodide jada on iseloomulik pidevalt jagunevatele rakkudele, näiteks naha epidermise, punase luuüdi, loomade seedetrakti limaskesta ja taimede haridusliku koe rakkude kasvu korral. Neid on võimalik jagada iga 12 kuni 36 tunni järel.

Vastupidiselt sellele astub enamus mitmerakulise organismi rakke spetsialiseerumise teed ja pärast Gj-perioodi osa läbimist võivad nad liikuda nn puhkeaeg (Go-period).G n-perioodi rakud täidavad kehas oma spetsiifilisi funktsioone, neis toimuvad ainevahetus- ja energiaprotsessid, kuid replikatsiooniks ettevalmistust pole. Sellised rakud kaotavad reeglina jäädavalt jagunemisvõime. Näited hõlmavad neuroneid, läätserakke ja paljusid teisi.

Kuid mõned Gn-perioodi rakud (näiteks leukotsüüdid, maksarakud) võivad sellest lahkuda ja jätkata rakutsüklit, läbides kõik interfaaside ja mitoosi perioodid. Nii võivad maksarakud taas omandada võime jaguneda mõne kuu pärast uinuval perioodil.

Rakusurm. Mitmerakuliste organismide puhul tuleb pidevalt ette üksikute rakkude või nende rühmade surma (surma), samuti üherakuliste organismide surma. Rakusurma võib jagada kahte kategooriasse: nekroos (kreeka keelest). nekroos - surnud) ja apoptoos, mida sageli nimetatakse programmeeritud rakusurmaks või isegi raku enesetapuks.

Nekroos- rakkude ja kudede surm elusorganismis, mis on põhjustatud kahjulike tegurite mõjust. Nekroosi põhjused võivad olla kokkupuude kõrge ja madala temperatuuriga, ioniseeriv kiirgus, mitmesugused kemikaalid (sealhulgas patogeenide eraldatud toksiinid). Nekrootilist rakusurma täheldatakse ka nende mehaaniliste kahjustuste, verevarustuse häirete ja kudede innervatsiooni tagajärjel allergiliste reaktsioonide korral.

Kahjustatud rakkudes on membraani läbilaskvus häiritud, valkude süntees peatub, muud ainevahetusprotsessid peatuvad, tuuma, organellide ja lõpuks kogu raku hävitamine toimub. Nekroosi tunnuseks on see, et terved rakurühmad saavad sellise surma (näiteks müokardiinfarkti korral sureb hapnikuvarustuse katkemise tõttu ära palju rakke sisaldav südamelihase osa). Tavaliselt ründavad surevad rakud leukotsüüdid ja nekroosi tsoonis areneb põletikuline reaktsioon.

Apoptoos- programmeeritud rakusurm, mida keha reguleerib. Organismi arengu ja toimimise ajal sureb osa selle rakke ilma otsese kahjustuseta. See protsess toimub organismi kõigil eluetappidel, isegi embrüonaalsel perioodil.

Ka täiskasvanud organismis toimub planeeritud rakusurm pidevalt. Miljonid surmajuhtumid on vererakud, naha epidermis, seedetrakti limaskest jne. Pärast ovulatsiooni sureb osa munasarja folliikulite rakkudest, pärast imetamist - piimanäärmerakud. Täiskasvanu kehas sureb apoptoosi tagajärjel iga päev 50–70 miljardit rakku. Apoptoosi ajal laguneb rakk plasmalemmaga ümbritsetud eraldi fragmentideks. Tavaliselt võtavad leukotsüüdid või naaberrakud üles surnud rakkude fragmente, põhjustamata põletikulist vastust. Kadunud rakkude täiendamine toimub jagamise teel.

Seega katkestab apoptoos rakkude jagunemise lõpmatuse. Alates "sünnist" kuni apoptoosini läbivad rakud teatud arvu normaalseid rakutsükleid. Pärast igaüks neist läheb rakk kas uude rakutsükli või apoptoosi.

1. Mis on rakutsükkel?

2. Mida nimetatakse interfaasiks? Millised on peamised sündmused interfaasi G r, S ja 0 2 perioodidel?

3. Milliseid rakke iseloomustab G0-nonpnofl? Mis sel perioodil juhtub?

4. Kuidas toimub DNA replikatsioon?

5. Kas DNA molekulid, mis moodustavad homoloogseid kromosoome, on samad? Õdekromatiidide koostis? Miks?

6. Mis on nekroos? Apoptoos? Millised on nekroosi ja apoptoosi sarnasused ja erinevused?

7. Mis tähtsust on programmeeritud rakusurmal mitmerakuliste organismide elus?

8. Miks on teie arvates DNA enamuses elusorganismides päriliku teabe peamine hoidja ja RNA täidab ainult abifunktsioone?

Peatükk 1. Elusorganismide keemilised komponendid

• § 1. Keemiliste elementide sisaldus kehas. Makro- ja mikroelemendid
• § 2. Keemilised ühendid elusorganismides. Anorgaanilised ained

Peatükk 2. Rakk - elusorganismide struktuurne ja funktsionaalne üksus

• § 10. Rakkude avastamise ajalugu. Rakuteooria loomine
• § 15. Endoplasmaatiline retikulum. Golgi kompleks. Lüsosoomid

Peatükk 3. Ainevahetus ja energia muundamine kehas

• § 24. Ainevahetuse ja energia muundamise üldised omadused

Peatükk 4. Elusorganismide struktuur ja korraldus

Inimese keha kasv rakkude suuruse ja arvu suurenemise tõttu, samas kui viimane saadakse jagunemisprotsessi ehk mitoosi teel. Rakkude proliferatsioon toimub rakuväliste kasvufaktorite mõjul ja rakud ise läbivad korduva sündmuste jada, mida nimetatakse rakutsükliks.

Peamisi on neli faas: G1 (presünteetiline), S (sünteetiline), G2 (postsünteetiline) ja M (mitootiline). Sellele järgneb tsütoplasma ja plasmamembraani eraldamine, mille tulemuseks on kaks identset tütarrakku. Faasid Gl, S ja G2 on osa faasist. Kromosoomi replikatsioon toimub sünteetilise faasi või S-faasi ajal.
Enamik rakud ei allu aktiivsele jagunemisele, nende mitootiline aktiivsus pärsitakse GO faasi ajal, mis on osa G1 faasist.

M-faasi kestus on 30-60 minutit, samal ajal kui kogu rakutsükkel võtab umbes 20 tundi.Sõltuvalt vanusest läbivad normaalsed (mittetuumorilised) inimese rakud kuni 80 mitootilist tsüklit.

Protsessid rakutsükkel kontrollitud võtmeensüümide, mida nimetatakse tsidiinist sõltuvate proteiinkinaasideks (CPK), samuti nende kofaktorite tsükliinide järjestikuse korduva aktiveerimise ja inaktiveerimisega. Samal ajal toimub fosfokinaaside ja fosfataaside mõjul spetsiifiliste tsükliin-CZK komplekside fosforüülimine ja defosforüleerimine, mis vastutavad tsükli teatud faaside alguse eest.

Lisaks vastavad etapid, mis sarnanevad CGK valkudega põhjustada kromosoomide tihenemist, tuumaümbrise purunemist ja tsütoskeleti mikrotuubulite ümberkorraldamist, et moodustuks jagunemisvõll (mitootiline spindl).

Rakutsükli G1-faas

G1-faas - vahefaas M- ja S-faasi vahel, mille jooksul suureneb tsütoplasma hulk. Lisaks asub G1 faasi lõpus esimene kontrollpunkt, kus toimub DNA parandamine ja kontrollitakse keskkonnatingimusi (kas need on S-faasi üleminekuks piisavalt soodsad).

Tuumaenergia korral DNA kahjustatud, suureneb p53 valgu aktiivsus, mis stimuleerib p21 transkriptsiooni. Viimane seondub spetsiifilise tsükliin-CZK-kompleksiga, mis vastutab raku S-faasi viimise eest ja pärsib selle jagunemist Gl-faasi etapis. See võimaldab parandada ensüüme kahjustatud DNA fragmentide parandamiseks.

Kui patoloogiad tekivad defektse DNA p53 valgu replikatsioon jätkub, mis võimaldab jagunevatel rakkudel akumuleeruda mutatsioone ja aitab kaasa kasvajaprotsesside arengule. Seetõttu nimetatakse p53 sageli “genoomi valvuriks”.

Rakutsükli G0-faas

Rakkude proliferatsioon imetajatel on võimalik ainult teiste rakkude sekreteeritud osavõtul rakuvälised kasvufaktorid, mis avaldavad oma efekti protoonkogeenide kaskaadse signaali ülekande kaudu. Kui G1 faasi ajal ei saa rakk vastavaid signaale, lahkub see rakutsüklist ja siseneb G0 olekusse, milles see võib olla mitu aastat.

G0 blokeerimine toimub mitoosi supressorvalkude abil, millest üks on retinoblastoomi valk (Rb valk), mida kodeerivad retinoblastoomi geeni normaalsed alleelid. See valk kinnitub kaldus regulatiivsetele valkudele, blokeerides rakkude proliferatsiooniks vajalike geenide transkriptsiooni stimuleerimist.

Rakuvälised kasvufaktorid hävitavad blokeerimise aktiveerimise teel Gl-spetsiifilised tsükliin-CZK-kompleksid, mis fosforüülivad Rb valku ja muudavad selle konformatsiooni, mille tulemuseks on sideme katkemine regulatoorsete valkudega. Sel juhul aktiveerivad viimased nende poolt kodeeritud geenide transkriptsiooni, mis käivitab proliferatsiooni.

Rakutsükli S-faas

Standardkogus kaheahelaline DNA igas rakus, mis vastab üheahelaliste kromosoomide diploidsele komplektile, tähistatakse tavaliselt 2C-ga. 2C komplekt püsib Gl faasis ja kahekordistub (4C) S-faasis, kui sünteesitakse uus kromosomaalne DNA.

Otsast peale S-faasid ja kuni M-faasini (kaasa arvatud G2-faas) sisaldab iga nähtav kromosoom kahte tihedalt seotud DNA molekuli, mida nimetatakse õdekromatiidideks. Seega on inimese rakkudes S-faasi lõpust M-faasi keskpaigani 23 paari kromosoome (46 nähtavat ühikut), kuid 4C (92) tuuma-DNA kahekordsed heeliksid.

Protsessis mitoos identsete kromosoomikomplektide jagunemine kahe tütarraku vahel toimub nii, et igaüks neist sisaldab 23 paari 2C-DNA molekule. Tuleb märkida, et faasid G1 ja G0 on rakutsükli ainsad faasid, mille jooksul 2C-DNA-molekulide komplekt vastab 46 raku kromosoomile.

Rakutsükli G2-faas

Teine kontrollpunkt, mille puhul raku suurust kontrollitakse, asub G2 faasi lõpus, paikneb S-faasi ja mitoosi vahel. Lisaks kontrollitakse selles etapis enne mitoosini jõudmist replikatsiooni täielikkust ja DNA terviklikkust. Mitoos (M-faas)

1. Profaas... Kromosoomid, millest igaüks koosneb kahest identsest kromatiidist, hakkavad paksenema ja muutuvad tuuma sees nähtavaks. Raku vastaspoolustel hakkab kahe tsentrosoomi ümber moodustuma tubuliinikiududest spindlilaadne seade.

2. Prometafaas... Tuumamembraani eraldamine toimub. Kinetokorid moodustuvad kromosoomi tsentromeeride ümber. Tubuliini kiud tungivad tuumasse ja kontsentreeruvad kinetokoore lähedal, ühendades need tsentrosoomist eralduvate kiududega.

3. Metafaas... Kiudude pinge sunnib kromosoome jõudma spindli pooluste vahel keskele, moodustades seeläbi metafaasiplaadi.

4. Anaphase... Õdekromatiidide vahel jagatud tsentromeeri DNA dubleeritakse, kromatiidid eralduvad ja lähenevad poolustele lähemale.

5. Telofaas... Eraldatud õdekromatiidid (mida nüüd peetakse kromosoomideks) jõuavad poolustele. Iga rühma ümber on tuumamembraan. Kondenseerunud kromatiin hajub ja moodustuvad nukleoolid.

6. Tsütokinees... Rakumembraan tõmbub kokku ja keskel pooluste vahel moodustub lõhestatud vagu, mis lõpuks eraldab kaks tütarrakku.

Tsentrosoomitsükkel

Sisse faasi G1 aeg iga tsentrosoomiga on ühendatud tsentrioolide paar. S- ja G2-faaside ajal moodustatakse vanadest tsentrioolidest paremal uus tütartsentriool. M-faasi alguses jaguneb tsentrosoom, kaks tütartsentrosoomi lahkuvad raku poolustele.