Життєвий цикл клітини. Характеристика інтерфази. Розподіл соматичних клітин шляхом мітозу. Життєвий шлях клітин. інтерфазу. реплікація Коротко про інтерфаз

1 ) постмітотичний (пресинтетичний) – q 1 (G 1) - від 10 годин до кількох діб. Слід слідом за поділом. У молодих дочірніх клітинах спостерігається висока інтенсивність процесів транскрипції, формування синтетичного апарату клітини – збільшення кількості рибосом, різних видів РНК (РРНК, МРНК, ІРНК). Посилення синтезу білка, синтезуються структурні та функціональні білки, інтенсивний клітинний метаболізм, контрольований ферментами, ріст клітини, утворення та відновлення необхідної кількості органоїдів

2 ) синтетичний – S- 6 – 10 годин; Значною подією є подвоєння (редуплікація ДНК), що призводить до подвоєння плідності (зміст ДНК подвоюється) диплоїдних ядер (хромосоми стають двороматидними) і є обов'язковою умовою для подальшого мітотичного поділу клітин. Відбувається також синтез РНК, гістонових білків, продовжується зростання клітини.

3 ) постсинтетичний (премітотичний) q 2 (G 2) - 2 - 5 годин. Продовжується синтез РНК, всіх білків, особливо ядерних, а також білка тубуліна, необхідного для формування ахроматинового веретена мітотичного апарату, що утворюється в профазі мітозу і мейозу. Відбувається накопичення поживних речовин, енергії, синтез АТФ. Розподіл мітохондрій, хлоропластів, реплікація центріолей та початок утворення веретена поділу. Наприкінці цього періоду клітина переходить до профази мітозу.

Головні події мітотичного циклу:

1) редуплікаціясамоподвоєння спадкового матеріалу (синтетичний період)

2) рівномірний розподілспадкового матеріалу між дочірніми клітинами (анафаза мітозу – розподіл хроматид – дочірніх хромосом.)

Співвідношення кількості днк (с) та хромосом (n) у мітотичному циклі:

Мітоз: 1) Профаза 2п 4с, 2) Метафаза 2п 4с, 3) Анафаза 4п 4с (однохроматидні дочірні хромосоми); 4) Телофаза 2п 2с (однохроматидні дочірні хромосоми)

ІНТЕРФАЗУ: 1) Постмітотичний період 2п 2с (однохроматидні дочірньо-сестринські хромосоми)

2) Синтетичний період 2п 4с, 3) Постсинтетичний період 2п 4с (двохроматидні материнські хромосоми)

Зверніть увагу, що хроматида містить одну молекулу ДНК (c).

Освіта сестринської

хроматиди

Хромосома інтерфазного ядра

Схема мітотичного циклу

Життєвий цикл клітин (клітинний цикл) - це період існування клітини від моменту її утворення шляхом поділу материнської клітини до власного поділу або смерті. Обов'язковим компонентом життєвого циклу є мітотичний цикл. Багато клітин виходять з мітотичного циклу на шлях спеціалізації, диференціюються, виконують певні функції та їхнє життя закінчується смертю. Однак деякі диференційовані клітини (епітеліальні, сполучнотканинні) за певних умов переходять до підготовки до мітозу і самого мітозу. У таких клітин життєвий цикл триваліший за мітотичний. Для різних типів клітин життєвий цикл різний. У деяких клітинах відсутні ті чи інші фази мітотичного циклу. Частина клітин виходять із мітотичного циклу на шлях диференціювання та спеціалізації, їх пресинтетичний період подовжується. У нервових клітин цей період триває протягом усього життя організму, і вони не діляться, тому життєвий цикл таких клітин, наприклад нервових, не збігається з мітотичним циклом.Клітини, що утворюють клітинні популяції, що оновлюються, постійно діляться, проходячи мітоз і інтерфазу, мають клітинний цикл, що збігається з мітотичним цикломце, наприклад, ембріональні клітини, ростові базального шару шкіри, клітини освітньої тканини рослин (кінчик кореня, стебла, камбій), клітини, що регенерують, клітини сім'яників.

Проміжок часу між клітинними поділами називається інтерфазою.

Деякі цитологи виділяють два види інтерфазів: гетеросинтетичнуі аутосинтетичну.

У період гетеросинтетеической інтерфази клітини працюють на організм, виконуючи свої функції складового компонента того чи іншого органу або такні. У період аутосинтетичної інтерфази клітини готуються до мітозу або мейозу. У цій інтерфазі виділяють три періоди: пресинтетичний – G 1 , синтетичний – S і постсинтетичний – G 2 .

У S-періоді продовжується синтез білка та відбувається реплікація ДНК. У більшості клітин цей період триває 8-12 годин.

У G 2 - періоді продовжується синтез РНК і білка (наприклад, тубуліна для побудови мікротрубочок веретена поділу). Відбувається …
накопичення АТФ для енергетичного забезпечення наступного мітозу. Ця фаза триває 2-4 години.

Крім інтерфази, характеристики тимчасової організації клітин виділяють такі поняття, як життєвий цикл клітин, клітинний цикл і мітотичний цикл. Під життєвим цикломКлітини розуміють час життя клітини з моменту її виникнення після поділу материнської клітини і до кінця її власного поділу або до загибелі.

Клітинний цикл -це сукупність процесів, що протікають в аутосинтетичну інтерфазу, і власне мітоз.

11. Мітоз. Його суть, фази, біологічне значення. Амітоз.

Мітоз

Мітоз(від грец. Мітос - нитка), або каріокінез (грец. Каріон - ядро, кінезис - рух), або непрямий поділ. Це процес, під час якого відбувається конденсація хромосом та рівномірний розподіл дочірніх хромосом між дочірніми клітинами. Мітоз включає п'ять фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза і телофаза. У профазіхромосоми конденсуються (скручуються), стають помітними та розташовуються у вигляді клубка. Центріолі діляться на дві і починають рухатися до клітинних полюсів. Між центріолями з'являються нитки, які з білка тубуліна. Відбувається утворення мітотичного веретену. У прометафазіядерна оболонка розпадається на дрібні фрагменти, а занурені у цитоплазму хромосоми починають рухатися до екватора клітини. У метафазіхромосоми встановлюються на екваторі веретена та стають максимально компактизованими. Кожна хромосома складається з двох хроматид, пов'язаних один з одним центромірами, а кінці хроматид розходяться, і хромосоми набувають Х-подібної форми. В анафазідочірні хромосоми (колишні сестринські хроматиди) розходяться до протилежних полюсів. Припущення у тому, що це забезпечується скороченням ниток веретена, не підтвердилося.

Рис.28. Характеристика мітозу та мейозу.

Багато дослідників підтримують гіпотезу ковзних ниток, згідно з якою сусідні мікротрубочки веретена поділу, взаємодіючи один з одним та скорочувальними білками, тягнуть хромосоми до полюсів. У телофазідочірні хромосоми досягають полюсів, деспіралізуються, утворюється ядерна оболонка, відновлюється інтерфазна структура ядер. Потім настає поділ цитоплазми - цитокінез. У тваринних клітинах цей процес проявляється у перетяжці цитоплазми за рахунок втягування плазмолеми між двома дочірніми ядрами, а в рослинних клітинах дрібні бульбашки ЕПС, зливаючись, утворюють зсередини цитоплазми клітинну мембрану. Целюлозна клітинна стінка утворюється за рахунок секрету, що накопичується в диктіосомах.

Тривалість кожної з фаз мітозу різна - від кількох хвилин до сотень годин, що залежить як від зовнішніх, так і внутрішніх факторів та типу тканин.

Порушення цитотомії призводить до утворення багатоядерних клітин. За порушення репродукції центріолей можуть виникнути багатополюсні мітози.

АМІТОЗ

Це пряме розподіл ядра клітини, що зберігає інтерфазну структуру. При цьому хромосоми не виявляються, немає утворення веретена поділу та їх рівномірного розподілу. Ядро ділиться шляхом перетяжки відносно рівні частини. Цитоплазма може ділитися перетяжкою, і тоді утворюються дві дочірні клітини, але може і не ділитися, і тоді утворюються двоядерні або багатоядерні клітини.

Рис.29.Амітоз.

Амітоз як спосіб поділу клітин може зустрічатися в диференційованих тканинах, наприклад, скелетних м'язах, клітинах шкіри, а також у патологічних змінах тканин. Однак він ніколи не зустрічається в клітинах, які потребують збереження повноцінної генетичної інформації.

12. Мейоз. Стадія, біологічне значення.

МЕЙОЗ

Мейоз(грец. Мейозис - зменшення) має місце на стадії дозрівання гамет. Завдяки мейозу з диплоїдних незрілих статевих клітин утворюються гаплоїдні гамети: яйцеклітини та сперматозоїди. Мейоз включає два поділки: редукційне(зменшувальна) та екваційне(зрівняльне), кожне з яких має ті ж фази, що і мітоз. Однак, незважаючи на те, що клітини поділяються двічі, подвоєння спадкового матеріалу відбувається лише один раз – перед редукційним розподілом – і відсутнє перед екваційним.

Цитогенетичний результат мейозу (утворення гаплоїдних клітин та перекомбінація спадкового матеріалу) відбувається під час першого (редукційного) поділу. Воно включає 4 фази: профазу, метафазу, анафазу та телофазу.

Профаза Iпідрозділяється на 5 стадій:
лептонеми, (стадія тонких ниток)
зигонеми
стадія пахінеми (товстих ниток)
стадії диплонеми
стадія діакінезу.

Рис.31.Мейоз. Процеси, що відбуваються при редукційному розподілі.

У стадії лептонеми відбувається спіралізація хромосом та їх виявлення у вигляді тонких ниток із потовщеннями по довжині. У стадії зигонеми триває компактизація хромосом, а гомологічні хромосоми зближуються попарно і кон'югують: кожна точка однієї хромосоми поєднується з відповідною точкою гомологічної хромосоми (синапсис). Дві лежачі хромосоми утворюють біваленти.

У пахінемі між хромосомами, що становлять бівалент, може відбуватися обмін гомологічними ділянками (кросинговер). На цій стадії видно, що кожна хромосома, що кон'югує, складається з двох хроматид, а кожен бівалент - з чотирьох хроматид (зошит).

Диплонема характеризується появою сил відштовхування кон'югатів, починаючи від центроміру, а потім і в інших ділянках. Хромосоми залишаються пов'язаними між собою лише у місцях кросинговера.

У стадії діакінезу (розбіжність подвійних ниток) парні хромосоми частково розходяться. Починається формування веретена поділу.

У метафазі I пари хромосом (біваленти) вишиковуються за екватором веретена поділу, утворюючи метафазну пластинку.

В анафазі I до полюсів розходяться двороматидні гомологічні хромосоми, і на клітинних полюсах накопичується їх гаплоїдний набір. У телофазі 1 відбуваються цитотомія та відновлення структури інтерфазних ядер, кожне з яких містить гаплоїдна кількість хромосом, але диплоїдна кількість ДНК (1n2c). Після редукційного поділу клітини переходять у коротку інтерфазу, під час якої не настає період S, і починається екваційний (2-й) поділ. Воно протікає, як звичайний мітоз, в результаті чого утворюються статеві клітини, що містять гаплоїдний набір однохроматидних хромосом (1n1c)

Рис.32. Мейоз. Екваційний поділ.

Таким чином, під час другого мейотичного поділу кількість ДНК приводиться у відповідність до кількості хромосом.

12.Гаметогенез: ово - і сперматогенез.
Розмноження, або самовідтворення, є однією з найважливіших характеристик природи та властиво живим організмам. Передача генетичного матеріалу від батьків наступного покоління у процесі розмноження забезпечує безперервність існування роду. Процес розмноження в людини починається з проникнення чоловічої статевої клітини в жіночу статеву клітину.

Гаметогенез – це послідовний процес, який забезпечує розмноження, зростання та дозрівання статевих клітин у чоловічому організмі (сперматогенез) та жіночому (овогенез).

Гаметогенез протікає в статевих залозах - сперматогенез у сім'яниках у чоловіків, а овогенез у яєчниках у жінок. В результаті гаметогенезу в організмі жінки утворюються жіночі статеві клітини – яйцеклітини, а у чоловіків – чоловічі статеві клітини сперматозоїди.
Саме процес гаметогенез (сперматогенез, овогенез) дає можливість чоловікові та жінці можливість відтворення потомства.

Клітини не виникають власними силами, а утворюються лише за розподілі інших.

Клітинний циклявляє собою сукупність процесів, що відбуваються в клітині при підготовці її до поділу і під час власне поділу, внаслідок чого материнська клітина поділяється на дві дочірні. У циклі виділяють дві фази: автосинтетичну, або інтерфазу (підготовка клітини до поділу), що включає пресинтетичний (G:, англ. gap – проміжок), синтетичний (S) та постсинтетичний (G2) періоди, та розподіл клітини – мітоз.

Інтерфаза - послідовність подій, які готують мітоз . Дуже важливим в інтерфазі є матричний синтез ДНК та подвоєння хромосом – S-фаза. Проміжок між поділом і настанням S-фази називається фазою Gt (пост-мітотична, або пресинтетична фаза), а між S-фазою і мітозом - фазою G2 (постсинтетична, або премітотична фаза). Протягом фази G: клітина диплоїдна, протягом фази S плідність зростає до чотирьох, у фазі G2 клітина тетраплоїдна. В інтерфазі подвоюється маса клітини та всіх її компонентів, а також відбувається подвоєння центріолей.

Протягом пресинтетичної фази в клітині вже посилено біосинтетичні процеси і відбувається підготовка до подвоєння ДНК. У цьому розвиваються переважно ті органели, які необхідні синтезу ферментів, які забезпечують, своєю чергою, майбутнє подвоєння ДНК (передусім це рибосоми). На материнській центріолі клітинного центру збільшується кількість сателітів. Фаза G: триває від кількох годин до доби та більше.

Реплікація (лат. replicatio – повторення) – це процес передачі генетичної інформації, що зберігається в батьківській ДНК, шляхом точного її відтворення у дочірній клітині. При цьому кожен батьківський ланцюг ДНК є матрицею для синтезу дочірньої (матричний синтез ДНК).

Реплікація заснована на комплементарному спаровуванні основ. Спочатку в одній точці ДНК обидві її ланцюги розходяться, утворюючи асиметричну реплікаційну "вилку". Фермент ДНК-полімераза каталізує процес полімеризації нуклеотидів тільки у напрямку 5" ® 3". Нагадаємо, що обидва ланцюги ДНК антипаралельні, тому синтез одного з дочірніх ланцюгів відбувається безперервно (лідируючий ланцюг), інший (відстає) - у вигляді окремих фрагментів розмірами 10 - 200 нуклеотидів (фрагменти Оказаки). Згодом ці фрагменти поєднуються під дією ферменту ДНК-лігази.

Реплікація починається від середини кожного плеча, від ділянки, яку називають сайтом ініціації реплікації. Поширюючись до теломерів, реплікація доходить до них і зупиняється. Рухаючись до середини хромосоми, реплікація доходить до центроміру і зупиняється, проте центромірна область не подвоюється. У результаті кожна хромосома тепер має два ланцюги ДНК. Кожен ланцюг з білками, що їх оточують, утворює сестринські хроматиди. S-фаза триває 8-12 годин.

У кожній хромосомі під час S-періоду утворюються групи реплікаційних "вилок" (20 - 80), які виникають одночасно у всіх хромосом. При цьому "вилки" розташовані парами, які рухаються в протилежних напрямках доти, доки не зустрінуть сусідню "вилку", так що утворюються дві дочірні спіралі. В результаті реплікації кожна з двох дочірніх молекул ДНК складається з одного старого та одного нового ланцюга.

У цитоплазмі протягом S-фази подвоюються не лише ланцюги ДНК, а й кожна з центріолей клітинного центру.

Протягом премітотичної фази G2 здійснюються синтези, необхідні забезпечення безпосередньо процесу поділу. Кількість ДНК та центріолей у клітині вже подвоєно. Фаза G2 продовжується до 6 годин.

Клітинний цикл - Це період життя клітини від одного поділу до іншого. Складається з інтерфази та періодів поділу. Тривалість клітинного циклу у різних організмів різна (у бактерій – 20-30 хв, у клітин еукаріотів – 10-80 год).

Інтерфаза

Інтерфаза (Від лат. inter– між, phases- Поява) - це період між поділами клітини або від поділу до її загибелі. Період від поділу клітини до її загибелі характерний для клітин багатоклітинного організму, які після поділу втратили здатність до нього (еритроцити, нервові клітини тощо). Інтерфаза займає приблизно 90% часу клітинного циклу.

Інтерфаза включає:

1) пресинтетичний період (G 1) – починаються інтенсивні процеси біосинтезу, клітина зростає, збільшується у розмірах. Саме в цьому періоді до смерті залишаються клітини багатоклітинних організмів, які втратили здатність до поділу;

2) синтетичний (S) – відбувається подвоєння ДНК, хромосом (клітина стає тетраплоїдною), подвоюються центріолі, якщо вони є;

3) постсинтетичний (G 2) – переважно припиняються процеси синтезу у клітині, відбувається підготовка клітини до поділу.

Розподіл клітини буває прямим(амітоз) та непрямим(Мітоз, мейоз).

Амітоз

Амітоз - Прямий поділ клітин, при якому не утворюється апарат поділу. Ядро ділиться внаслідок кільцевої перетяжки. Не відбувається рівномірного розподілу генетичної інформації. У природі амітоз діляться макронуклеуси (великі ядра) інфузорій, клітини плаценти у ссавців. Амітоз можуть ділитися клітини ракових пухлин.

Непряме поділ пов'язані з утворенням апарату поділу. У апарат поділу входять компоненти, які забезпечують рівномірний розподіл хромосом між клітинами (веретено поділу, центроміри, якщо є центріолі). Поділ клітини умовно можна розділити на поділ ядра ( каріокінез) та розподіл цитоплазми ( цитокінез). Останній починається до кінця розподілу ядра. Найбільш поширені у природі мітоз і мейоз. Іноді зустрічається ендомітоз- Непряме поділ, що відбувається в ядрі без руйнування його оболонки.

Мітоз

Мітоз – це непряме поділ клітини, у якому з материнської утворюються дві дочірні клітини з ідентичним набором генетичної інформації.

Фази мітозу:

1) профаза - відбувається ущільнення хроматину (конденсація), хроматиди спіралізуються і коротшають (стають помітними у світловий мікроскоп), зникають ядерця і ядерна оболонка, утворюється веретено поділу, його нитки прикріплюються до центромірів хромосом, центріолі діляться і розходяться до полюсів клітини;

2) метафаза – хромосоми максимально спіралізовані та розташовуються вздовж екватора (в екваторіальній платівці), гомологічні хромосоми лежать поруч;

3) анафаза - нитки веретена поділу скорочуються одночасно і розтягують хромосоми до полюсів (хромосоми стають однохроматидними), найкоротша фаза мітозу;

4) телофаза - Хромосоми деспіралізуються, утворюються ядерця, ядерна оболонка, починається поділ цитоплазми.

Мітоз характерний переважно для соматичних клітин. Завдяки мітозу зберігається сталість числа хромосом. Сприяє збільшенню числа клітин, тому спостерігається при зростанні, регенерації, вегетативному розмноженні.

Мейоз

Мейоз (Від грец. мейозис– зменшення) – це непрямий редукційний поділ клітини, при якому з материнської утворюються чотири дочірні, що мають неідентичну генетичну інформацію.

Розрізняють два поділи: мейоз I та мейоз II. Інтерфаза I подібна до інтерфази перед мітозом. У постсинтетичному періоді інтерфази процеси синтезу білка не припиняються і продовжуються у профазі першого поділу.

Мейоз I:

– профаза I – хромосоми спіралізуються, ядерце та ядерна оболонка зникають, утворюється веретено поділу, гомологічні хромосоми зближуються та злипаються вздовж сестринських хроматид (як блискавка у замку) – відбувається кон'югація, при цьому утворюються зошити, або біваленти, утворюється перехрест хромосом та обмін ділянками – кросинговер, потім гомологічні хромосоми відштовхуються одна від одної, але залишаються зчепленими в ділянках, де відбувся кросинговер; процеси синтезу завершуються;

– метафаза I - хромосоми розташовуються вздовж екватора, гомологічні -двохроматидні хромосоми розташовуються одна навпроти іншої по обидва боки екватора;

– анафаза I - нитки веретена поділу одночасно скорочуються, розтягують по одній гомологічній двороматидної хромосоми до полюсів;

– телофаза I (якщо є) – хромосоми деспіралізуються, утворюються ядерце та ядерна оболонка, відбувається розподіл цитоплазми (клітини, що утворилися, гаплоїдні).

Інтерфаза II(якщо є): не відбувається подвоєння ДНК.

Мейоз II:

– профаза II - Ущільнюються хромосоми, зникають ядерце і ядерна оболонка, утворюється веретено поділу;

– метафаза II - Хромосоми розташовуються вздовж екватора;

– анафаза II - хромосоми при одночасному скороченні ниток веретена поділу розходяться до полюсів;

– телофаза II – деспіралізуються хромосоми, утворюються ядерце та ядерна оболонка, ділиться цитоплазма.

Мейоз відбувається перед утворенням статевих клітин. Дозволяє при злитті статевих клітин зберігати сталість числа хромосом виду (каріотип). Забезпечує комбінативну мінливість.

Інтерфаза займає щонайменше 90% часу життєвого циклу клітини. Вона включає три періоди(рис. 27): постмітотичний або пресинтетичний (G 1), синтетичний (S), премітотичний або постсинтетичний (G 2).

У клітинному циклі існують так звані «звірювальні точки» (checkpoints), проходження яких можливе лише у разі нормального завершення попередніх етапів та відсутності поломок. Виділяють щонайменше чотири такі точки: точка в періоді G 1 точка в періоді S, точка в періоді G 2 і «точка перевірки складання веретена поділу» в мітотичному періоді.

Постмітотичний період. Постмітотичний (пресинтетичний, G 1) період починається після завершення мітотичного поділу клітини і триває від кількох годин до кількох днів. Він характеризується інтенсивним синтезом білка та РНК, збільшенням кількості органоїдівза допомогою поділу або самоскладання і, внаслідок цього, активним зростанням,що зумовлює відновлення нормальних розмірів клітини. Протягом цього періоду синтезуються так звані «білки, що запускають», що є активаторами S-періоду. Вони забезпечують досягнення клітиною певного порогу (точки рестрикції R), після якого клітина входить у S-період(Рис. 28). Контроль у перехідній точці R обмежує можливість нерегульованого розмноження клітин. Пройшовши точку R, клітина перемикається на регуляцію внутрішніми чинниками, що забезпечить її мітотичний поділ.

Клітина може досягти точки R і з клітинного циклу, вступивши у період репродуктивного спокою (G 0). Причинами такого виходу можуть бути: 1) необхідність диференціюватися та виконувати специфічні функції; 2) потреба подолати період несприятливих умов чи шкідливих впливів середовища; 3) необхідність відновити пошкоджену ДНК. З періоду репродуктивного спокою (G 0) одні клітини можуть повертатися в клітинний цикл, інші втрачають цю здатність під час диференціювання. У зв'язку з цим знадобився безпечний момент припинення проходження клітинного циклу, яким і стала точка R. Передбачається, що механізм регулювання клітинного росту, що включає специфічну точку R, міг виникнути через умови існування або взаємодії з іншими клітинами, що вимагають припинення поділу. Про клітини, зупинені в цьому стані, кажуть, що вони вступили у фазу G 0 клітинного циклу.

Синтетичний період Самоподвоєння ДНК. Синтетичний (S) період характеризується подвоєнням (реплікацією) молекул ДНК, і навіть синтезом білків, насамперед гістонів. Останні, надходячи в ядро, беруть участь в упаковці нової синтезованої ДНК в нуклеосомну нитку. Одночасно з подвоєнням кількості ДНК відбувається подвоєння числа центріолей.

Здатність ДНК до самовідтворення (самоподвоєння) забезпечує розмноження живих організмів, розвиток багатоклітинного організму із заплідненої яйцеклітини, передачу спадкової інформації з покоління до покоління. Процес самовідтворення ДНК часто називають реплікацією (редуплікацією) ДНК.

Як відомо, генетична інформація записана в ланцюзі ДНК у вигляді послідовності нуклеотидних залишків, що містять одну з чотирьох гетероциклічних основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) та тимін (Т). Запропонована Дж. Вотсоном та Ф. Криком у 1953 році модель будови ДНК у формі регулярної подвійної спіралі (рис. 29) дозволила з'ясувати принцип подвоєння ДНК. Інформаційний вміст обох ланцюгів ДНК ідентичний, тому що кожен з них містить послідовність нуклеотидів, що суворо відповідає послідовності іншого ланцюга. Ця відповідність досягається завдяки наявності водневих зв'язків між спрямованими назустріч один одному підставами двох ланцюгів: Г-Ц або А-Т. Неважко уявити, що подвоєння ДНК відбувається внаслідок того, що ланцюги розходяться, а потім кожен ланцюг служить матрицею, на якій збирається комплементарний їй новий ланцюг ДНК. У результаті утворюються дві дочірні двоспіральні, невідмінні за будовою від материнської ДНК молекули. Кожна з них складається з одного ланцюга вихідної материнської молекули ДНК та одного знову синтезованого ланцюга (рис. 30). Такий механізм реплікації ДНК, при якому від одного покоління до іншого передається один з двох ланцюгів, що становлять материнську молекулу ДНК,експериментально доведений у 1958 році М. Мезельсоном та Ф. Сталем і отримав назву напівконсервативний. Синтез ДНК, поряд з цим, характеризується також антипаралельністю та уніполярністю. Кожен ланцюг ДНК має певну орієнтацію: один кінець несе гідроксильну групу (ОН), приєднану до 3'-вуглецю (С 3) в дезоксирибозі, на іншому кінці ланцюга знаходиться залишок фосфорної кислоти в 5' (С 5) положенні дезоксирибози (рис. 30 ). Ланцюги однієї молекули ДНК відрізняються орієнтуванням молекул дезоксирибози: навпроти 3 '(З 3) кінця одного ланцюга знаходиться 5' (З 5) кінець молекули іншого ланцюга.

ДНК-полімерази. Ферменти, що синтезують нові ланцюги ДНК, називаються ДНК-полімеразами. Вперше ДНК-полімеразу виявив та описав у кишкової палички А. Корнберг (1957). Потім ДНК-полімерази виявили й інших організмах. Субстратами всіх цих ферментів є дезоксирибонуклеозидтрифосфати (дНТФ), полімеризуються на одноланцюговій ДНК-матриці. ДНК-полімерази послідовно нарощують ланцюг ДНК, крок за кроком приєднуючи до неї наступні ланки в напрямку від 5'- до 3'-кінця,причому вибір чергового нуклеотиду визначається матрицею.

У клітинах зазвичай є кілька типів ДНК-полімераз, що виконують різні функції і мають різну будову: вони можуть бути побудовані з різної (1-10) кількості білкових ланцюгів (субодиниць). Однак всі вони функціонують за будь-яких послідовностей нуклеотидів матриці, виконуючи одну і ту ж задачу - складання точної копії матриці. Синтез комплементарних ланцюгів завжди ведеться уніполярно, тобто. у 5'→3' напрямку. Тому у процесі реплікації одночасний синтез нових кіл йде антипаралельно.В окремих випадках ДНК-полімерази можуть давати "задній хід", пересуваючись у напрямку 3'→5'. Це відбувається тоді, коли остання додана при синтезі нуклеотидна ланка виявилася некомплементарною нуклеотиду матричного ланцюга. При задньому ході ДНК-полімерази воно заміщається комплементарним нуклеотидом.Відщепивши невідповідний принципу комплементарності нуклеотид, ДНК-полімераза продовжує синтез у 5'→3' напрямку. Така здатність до виправлення помилок отримала назву коректорської функції ферменту.

Точність реплікації.Незважаючи на великі розміри, генетичний матеріал живих організмів реплікується з високою точністю. У середньому в процесі відтворення геному ссавця, що складається з ДНК довжиною 3 млрд пар нуклеотидів, виникає не більше трьох помилок. При цьому ДНК синтезується надзвичайно швидко (швидкість її полімеризації коливається в межах від 500 нуклеотидів на секунду у бактерій до
50 нуклеотидів на секунду у ссавців). Висока точність реплікації, поряд з її високою швидкістю, забезпечується наявністю спеціальних механізмів, що усувають помилки. Суть такого механізму корекції полягає в тому, що ДНК-полімерази. двічі перевіряють відповідність кожного нуклеотиду матриці:один раз перед включенням його до складу зростаючого ланцюга і другий раз перед тим, як включити наступний нуклеотид.Черговий фосфодіефірний зв'язок синтезується лише в тому випадку, якщо останній (3'-кінцевий) нуклеотид зростаючого ланцюга ДНК утворив правильну (комплементарну) пару з відповідним нуклеотидом матриці. Якщо ж на попередній стадії реакції відбулося помилкове з'єднання основ, то подальша полімеризація зупиняється доти, доки така невідповідність не буде усунена. Для цього фермент переміщається у зворотному напрямку і вирізає останню додану ланку, після чого його місце може зайняти правильний попередник нуклеотиду. Отже, багато ДНК-полімерази мають, крім 5'-3'- синтетичної активності, ще й 3'-гідролізуючу активність, яка забезпечує видалення некомплементарних матриці нуклеотидів.

Ініціація ланцюгів ДНК. ДНК-полімерази не можуть починати синтез ДНК на матриці, а здатні тільки додавати нові дезоксирибонуклеотидні ланки до 3'-кінця вже наявного полінуклеотидного ланцюга. Такий заздалегідь утворений ланцюг, до якого додаються нуклеотиди, називають затравкою.Короткий РНК-затравку синтезує з рибонуклеозидтрифосфатів фермент ДНК-праймазу.Праймазної активністю може мати або окремий фермент, або одна з субодиниць ДНК-полімерази. Затравка, синтезована цим ферментом, відрізняється від решти новосинтезованого ланцюга ДНК, оскільки складається з рибонуклеотидів.

Розмір рибонуклеотидної затравки (до 20 нуклеотидів) невеликий у порівнянні з розміром ланцюга ДНК, що утворюється ДНК-полімеразою. РНК-затравка, що виконала свою функцію, видаляється спеціальним ферментом, а утворена при цьому пролом ліквідується ДНК-полімеразою, використовує як затравку 3'-ОН-кінець сусіднього фрагмента ДНК. Видалення крайніх РНК-праймерів, комплементарних 3'-кінцям обох ланцюгів лінійної материнської молекули ДНК, призводить до того, що дочірні ланцюги виявляються на 10-20 нуклеотидів коротшими.(У різних видів розмір РНК-затравок різний). У цьому полягає так звана проблема "недореплікації кінців лінійних молекул". У разі реплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми не існує, тому що перші за часом утворення РНК-затравки видаляються ферментом, який
одночасно заповнює пролом, що утворюється, шляхом нарощування
3'-ОН-кінця зростаючого ланцюга ДНК, спрямованої в «хвіст» праймеру, що видаляється. Проблема недореплікації 3'-кінців лінійних молекул ДНК вирішена у еукаріотів за участю ферменту теломерази.

Функції теломерази. Теломераза (ДНК-нуклеотиділекзотрансфераза, або теломірна термінальна трансфераза) була виявлена ​​в 1985 році у рівновійної інфузорії, а згодом - у дріжджах, рослинах та тваринах. Теломераза добудовує 3'-кінці лінійних молекул ДНК хромосом короткими (з 6-8 нуклеотидів) послідовностями, що повторюються (у хребетних ТТАГГГ). Крім білкової частини теломеразу містить РНК, яка виконує роль матриці для нарощування ДНК повторами. Наявність у молекулі РНК послідовності, що визначає матричний синтез відрізка ланцюга ДНК, дозволяє віднести теломеразу до зворотних транскриптаз, тобто. ферментів, здатних вести синтез ДНК за матрицею РНК.

В результаті укорочення після кожної реплікації дочірніх ланцюгів ДНК на розмір першого РНК-праймера (10-20 нуклеотидів) утворюються однониткові 3'-кінці материнських ланцюгів, що виступають. Вони впізнаються тіломеразою, яка послідовно нарощує материнські ланцюги (у людини на сотні повторів), використовуючи їх 3'-ОН-кінці як затравок, а входить до складу ферменту РНК - як матриця. Довгі одноланцюжкові кінці, що утворюються, у свою чергу, служать матрицями для синтезу дочірніх ланцюгів за звичайним принципом комплементарності.

Поступове вкорочення ДНК клітинного ядра під час реплікації стало підставою для розробки однієї з теорій «старіння» клітину ряді поколінь (у клітинній колонії). Так, 1971 року А.М. Оловніков у своїй теорії маргінотоміїприпустив, що скорочення ДНК може обмежувати потенціал поділу клітин.Це може розглядатися, на думку російського вченого, як одне з пояснень встановленого на початку 60-х ХХ століття "ліміту Хайфліка". Суть останнього, названого на ім'я автора – американського вченого Леонардо Хайфліка, полягає в наступному: клітини характеризуються обмеженням можливої ​​кількості поділів.У його дослідах, зокрема, клітини, взяті у новонароджених дітей, ділилися у культурі тканин 80-90 разів, тоді як соматичні клітини від 70-річних людей – лише 20-30 разів.

Етапи та механізм реплікації ДНК. Розплетення молекули ДНК.Оскільки синтез дочірнього ланцюга ДНК відбувається на одноланцюжковій матриці, йому має передувати обов'язкове тимчасове раз-
розподіл двох ланцюгів ДНК(Рис. 30). Дослідження, проведені на початку
60-х років на хромосомах, що реплікуються, дозволили виявити особливу, чітко обмежену область реплікації (місцевого розбіжності двох її ланцюгів), що переміщається вздовж батьківської спіралі ДНК. Ця область, в якій ДНК-полімерази синтезують дочірні молекули ДНК, через свою Y-подібну форму назвали реплікаційною вилкою. За допомогою електронного мікроскопування ДНК, що реплікується, вдалося встановити, що реплікована область має вигляд вічка всередині нереплікованої ДНК. Реплікаційне вічко утворюється тільки в місцях знаходження специфічних нуклеотидних послідовностей. Ці послідовності, що отримали назву точок початку реплікації, складаються приблизно з 300 нуклеотидів. Послідовний рух реплікаційної вилки призводить до розширення вічка.

Подвійна спіраль ДНК дуже стабільна: щоб вона розплеталася, необхідні спеціальні білки. Спеціальні ферменти ДНК-хелікази, використовуючи енергію гідролізу АТФ, швидко переміщаються одиночним ланцюгом ДНК. Зустрічаючи по дорозі ділянку подвійної спіралі, вони руйнують водневі зв'язки між основами, розділяють ланцюги та просувають реплікаційну вилку. Після цього з одиночними ланцюгами ДНК зв'язуються спеціальні білки, що дестабілізують спіраль, які не дозволяють одиночним ланцюгам ДНК зімкнутися.При цьому вони не закривають основ ДНК, залишаючи їх доступними для подальшого з'єднання з комплементарними основами.

У зв'язку з тим, що комплементарні ланцюги ДНК закручені в спіраль, щоб реплікаційна вилка могла просуватися вперед, неподвоєна частина ДНК повинна дуже швидко обертатися. Ця топологічна проблема вирішена шляхом освіти у спіралі своєрідних «шарнірів»,що дозволяють ланцюгам ДНК розкручуватися. Особливі білки, звані ДНК-топоізомеразами,вносять у ланцюг ДНК одно- або дволанцюгові розриви, що дозволяють ланцюгам ДНК розділитися, а потім ліквідують ці розриви.Топоізомерази беруть участь також у розчепленні зачеплених дволанцюжкових кілець, що утворюються при реплікації кільцевих дволанцюжкових ДНК. За допомогою цих ферментів подвійна спіраль ДНК у клітині може приймати «недокручену» форму з меншою кількістю витків, що полегшує розбіжність двох ланцюгів ДНК у вилці реплікації.

Уривчастий синтез ДНК.Реплікація ДНК передбачає, що з переміщенням реплікаційної вилки буде відбуватися безперервне приростання нуклеотид за нуклеотидом обох нових (дочірніх) ланцюгів. При цьому, оскільки два ланцюги в спіралі ДНК антипаралельні, один з дочірніх ланцюгів мав би рости в напрямку 5'-3', а інший - у напрямку 3'-5'. Насправді, однак, виявилося, що дочірні ланцюги ростуть тільки в напрямку 5'-3', тобто. завжди подовжується 3'-кінець затравки. Це, на перший погляд, суперечить вже зазначеному факту, що рух реплікаційної вилки, що супроводжується одночасним зчитуванням двох антипаралельних ниток, здійснюється в одному напрямку. Однак насправді синтез ДНК відбувається безперервно тільки
до однієї з матричних ланцюгів. На другому матричному ланцюзі ДНК
синтезується порівняно короткими фрагментами(довжиною від 100 до
1000 нуклеотидів в залежності від виду), названими на ім'я вченого, що їх виявило. фрагментами Оказаки. Новостворений ланцюг, який синтезується безперервно, названий провідною,а інша, що збирається з фрагментів Оказаки - ланцюгом, що відстає.Синтез кожного з цих фрагментів починається із РНК-затравки. Через деякий час РНК-затравки видаляються, проломи забудовуються ДНК-полімеразою і фрагменти зшиваються в один безперервний ланцюг спеціальним фрагментом ДНК-лігаз.

Взаємодія білків та ферментів реплікаційної вилки.З вищевикладеного може скластися враження, що окремі білки функціонують у реплікації незалежно один від одного. Насправді більшість цих білків об'єднана в комплекс, швидко просувається вздовж ДНК і з високою точністю здійснює процес реплікації.Цей комплекс порівнюють із крихітною «швейною машиною»: його «деталями» служать окремі білки, а джерелом енергії – реакція гідролізу нуклеозидтрифосфатів. Спіраль ДНК розплітається ДНК-хеліказою. Цьому процесу допомагають ДНК-топоізомеразу, розкручує ланцюга ДНК, і безліч молекул дестабілізуючого білка, зв'язуються з обома одиночними ланцюгами ДНК. В області вилки на ведучому та відстаючому ланцюгах діють дві ДНК-полімерази. На провідному ланцюзі ДНК-полімераза працює безперервно, а на фермент, що відстає, час від часу перериває і знову відновлює свою роботу, використовуючи короткі РНК-затравки, синтезовані ДНК праймазою. Молекула ДНК-праймази безпосередньо пов'язана з ДНК-хеліказою, утворюючи структуру, яка називається праймосомою. Праймосома рухається у напрямку розкриття реплікаційної вилки і по ходу руху синтезує РНК-затравку для фрагментів Оказаки. У цьому ж напрямку рухається ДНК-полімераза провідного ланцюга і, хоча на перший погляд це важко уявити - ДНК-полімераза ланцюга, що відстає. Для цього, як вважають, останній накладає ланцюг ДНК, який служить їй матрицею, саму на себе, що і забезпечує розворот ДНК-полімерази ланцюга, що відстає, на 180 градусів. Узгоджений рух двох ДНК-полімераз забезпечує координовану реплікацію обох ниток. Таким чином, у реплікаційній вилці одночасно працюють близько двадцяти різних білків (з яких згадана лише частина), здійснюючи складний, високоупорядкований та енергоємний процес реплікації ДНК.

Узгодженість механізмів реплікації ДНК та клітинного поділу.В еукаріотичній клітині перед кожним розподілом повинні синтезуватися копії всіх її хромосом. Реплікація ДНК еукаріотичної хромосоми здійснюється за допомогою поділу хромосоми на множину окремих репліконів. Такі реплікони активуються не одночасно, проте клітинному поділу має передувати обов'язкова одноразова реплікація кожного з них. Як виявилося, по хромосомі еукаріотів у кожний момент часу може переміщатися незалежно один від одного безліч реплікаційних виделок. Зупинка просування вилки відбувається тільки при зіткненні з іншою вилкою, що рухається у протилежному напрямку, або після досягнення кінця хромосоми.У результаті короткий термін вся ДНК хромосоми виявляється реплікованої. При цьому блоки конденсованого гетерохроматину, у тому числі ділянки ДНК поблизу центроміри, реплікуються в самому кінці S-періоду, як і неактивна Х-хромосома ссавців, конденсована (на відміну від активної Х-хромосоми) цілком гетерохроматин. Найімовірніше першими реплікуються ті області каріотипу, у яких хроматин найменш конденсований, отже, найбільш доступний білків і ферментів реплікаційної вилки.Після пакування молекули ДНК хромосомними білками кожна пара хромосом у процесі мітозу впорядковано розділяється між дочірніми клітинами.

Премітотичний період. Премітотичний (постсинтетичний, G 2 ) період починається після завершення синтетичного періоду і продовжується до настання мітозу (Рис. 27). Він включає процеси безпосередньої підготовки клітини до поділу: запасання енергії в АТФ, дозрівання центріолей, синтез іРНК та білків (насамперед тубуліна).Тривалість премітотичного періоду становить 2-4 години (10-20% тривалості життєвого циклу). Перехід клітини з G 2 -періоду в G 0 -період, на думку більшості вчених, неможливий.

Вступ клітини до мітозу контролюється двома факторами:
М-затримуючий фактор перешкоджає вступу клітини до мітозу до завершення реплікації ДНК, а М-стимулюючий фактор індукує мітотичний поділ клітини у присутності білків-циклінів, які синтезуються протягом усього життєвого циклу клітини та розпадаються під час мітозу.

Мітотичний період. Мітотичний період характеризується перебігом мітотичного (непрямого) поділу клітини, що включає поділ ядра (каріокінез) та поділ цитоплазми (цитокінез). Мітоз, що займає 5-10% часу життєвого циклу і триває, наприклад, у тваринній клітині 1-2 години, поділяється на чотири основні фази(рис. 27): профазу, метафазу, анафазу та телофазу.

Профазає найтривалішою фазою мітозу. Вона починається процесом конденсації хромосом (рис. 31), які набувають, при розгляді у світловий мікроскоп, вигляд темних ниткоподібних утворень. При цьому кожна хромосома складається з двох хроматид, розташованих паралельно та з'єднаних між собою в області центроміру. Одночасно з конденсацією хромосом відбувається диспергація, або розпорошення ядерців,які перестають бути видимими у світловий мікроскоп, що пов'язано із входженням ядерцевих організаторів до складу різних пар хромосом.Відповідні гени, що кодують р-РНК інактивуються.

З середини профази починає руйнуватися каріолема,розпадаючись на фрагменти, а потім на дрібні мембранні бульбашки. Гранулярна ендоплазматична мережа розпадається на короткі цистерни та вакуолі,на мембранах яких різко зменшується кількість рибосом. Приблизно на чверть зменшується число полісом, локалізованих як на мембранах, і у гіалоплазмі клітини. Такі зміни призводять до різкого падіння рівня синтезу білка в клітині, що ділиться.

Найважливішим процесом профази є формування мітотичного веретену. Репродуковані ще в S-періоді центріолі починають розходитися до протилежних кінців клітини, де згодом сформуються полюси веретена. До кожного полюса переміщається диплосома (дві центріолі). Одночасно формуються мікротрубочки, що відходять від однієї центріолі кожної диплосоми.(Рис. 32). Утворене в результаті цього освіта має в тваринній клітині веретеноподібну форму, у зв'язку з чим отримало назву «веретена поділу» клітини. Воно складається з трьох зон: двох зон центросфер з центріолями всередині нихі

Метафазазаймає близько третини часу всього мітозу. Протягом цієї фази закінчується утворення веретена поділу та досягається максимальний рівень конденсації хромосом. Останні вишиковуються в області екватора мітотичного веретена(рис. 31, 34), формуючи так звану «метафазну (екваторіальну) платівку»(вид збоку) або «материнську зірку»(Вигляд з боку полюса клітини).Хромосоми утримуються в екваторіальній площині завдяки збалансованому натягу центромірних (кінетохорних) мікротрубочок. До кінця метафази завершується відокремлення сестринських хроматид:їхні плечі лежать паралельно один одному, а між ними видно щілину, що розділяє їх. Останнім місцем контакту між хроматидами залишається центроміра.

Анафазає найкоротшою фазою, що займає лише кілька відсотків часу мітозу. Вона починається втратою зв'язку між сестринськими хроматидами в області центромір і рухом
матид (дочірніх хромосом) до протилежних полюсів клітини
(Рис. 31, 34). Швидкість переміщення хроматиду вздовж трубочок веретена становить 0,2-0,5 мкм/хв. Ініціює початок анафази різке підвищення концентрації іонів Са 2+ в гіалоплазмі, що виділяються скупченими біля полюсів веретена мембранними бульбашками.

Рух хромосом складається з двох процесів: розбіжності їх у напрямку полюсів і додаткового розбіжності самих полюсів.Припущення про скорочення (саморозбирання) мікротрубочок як механізм розбіжності хромосом в мітозі не підтвердилися. Тому багато дослідників підтримують гіпотезу «ковзаючих ниток», згідно з якою сусідні мікротрубочки, взаємодіючи один з одним (наприклад, хромосомні та полюсні) та зі скорочувальними білками (міозин, дінеїн), тягнуть хромосоми до полюсів.

Анафаза завершується скупченням на полюсах клітини по одному, ідентичному один одному, набору хромосом, що формує так звану "Дочірню зірку". Наприкінці анафази у тваринній клітині починає утворюватися клітинна перетяжка, що заглиблюється у наступній фазі і веде до цитотомії (цитокінезу). У її освіті беруть участь актинові міофіламенти, які концентруються по колу клітини як «скоротимого кільця».

У телофазі - кінцевої стадії мітозу - навколо кожної полюсної групи хромосом (дочірні зірки) утворюється ядерна оболонка:фрагменти каріолеми (мембранні бульбашки) зв'язуються з поверхнею окремих хромосом, частково оточують кожну з них і тільки після цього зливаються, утворюючи повну ядерну оболонку (рис. 31, 34). Після відновлення ядерної оболонки відновлюється синтез РНК,з відповідних ділянок (ядерцевих організаторів) хромосом оформляється ядерце і деконденсується хроматин,переходячи в типовий для інтерфази дисперсний стан.

Ядра клітин поступово збільшуються, а хромосоми прогресивно деспіралізуються та зникають. Одночасно поглиблюється клітинна перетяжка, а цитоплазматичний місток, що їх з'єднує, з пучком мікротрубочок усередині звужується (рис. 31). Наступна перешнурівка цитоплазми завершує розподіл цитоплазми (цитокінез).Рівномірному поділу органел між дочірніми клітинами сприяє їхня велика кількість у клітині (мітохондрії) або розпад під час мітозу на дрібні фрагменти та мембранні бульбашки.

У разі пошкодження веретена поділу може відбуватися атиповий мітоз, що веде до нерівномірного розподілу генетичного матеріалу між клітинами (анеуплоїдія).Окремі атипові мітози, при яких відсутня цитотомія, завершуються утворенням гігантських клітин. Атипові мітози властиві зазвичай клітин злоякісних пухлин і опромінених тканин.