КЛЕТЪЧЕН ЦИКЪЛ


1. Понятие за клетъчен цикъл

         Едно от основните свойства на всяка жива система е самовъзпроизвеждането. Молекулната му основа, както знаем, е репликацията на ДНК. В този раздел ще го обсъдим на клетъчно, а в следващите раздели – на организмово равнище.

         Клетката се самовъзпроизвежда, като се дели на две нови клетки. Те, разбира се, са двойно по-малки от изходната, но имат същата сложност. Всяка дъщерна клетка разполага с цялото "писмено наследство" на майчината, т.е. с безупречен комплект ДНК. Цитоплазменото съдържимо най-често се разпределя приблизително по равно между двете дъщерни клетки, като се внимава нито една от тях да не остане без някоя незаменима органела.

         От тези разсъждения следва, че деленето изисква подготовка. ДНК трябва да се удвои, а цялата клетка – да се уголеми. Иначе поне една от новите клетки ще се окаже лишена от нещо важно или в най-добрия случай прекалено малка. Когато това се осъзнава, подготовката на делене и самото делене се обединяват под името клетъчен цикъл (от англ. cell cycle, което всъщност е съкращение от cell division cycle – цикъл на клетъчното делене).

2. Клетъчен цикъл при прокариотите

         Прокариотите и еукариотите много по-силно се различават по своето делене, отколкото например по репликацията си. Както може да се очаква, при прокариотната клетка нещата стоят по-просто – всъщност толкова просто, че тук рядко се използва терминът клетъчен цикъл. В благоприятни условия растежът и репликацията на бактериите са непрекъснати, а деленето периодично се наслагва върху техния фон. Ще разгледаме накратко как става това.

         Прокариотните молекули ДНК, колкото и да са дълги, имат само едно начало на репликация. Дори ако веднага след края на репликацията започва нова репликация, пак би се получило така, че цялата клетка да изчаква ДНК-полимеразите. За да няма забавяне, единственото начало се използва с максимална ефективност: не само непрекъснато протича репликация, а и новата започва, преди старата да е приключила.



         След като репликацията обхване цялата обиколка на бактериалната хромозома, двете новополучени хромозоми се разделят по все още недоизяснен механизъм. Получават се два нуклеоида, между които остава празно място. Бактерията се удължава и то става все по-голямо. В един момент клетката се разделя, като се прегражда през средата. На български език няма специален термин за деленето на прокариотната клетка, то се нарича просто "делене".



         Благодарение на тази простота и ефективност прокариотите се радват на бързо размножаване. Някои бактерии при най-благоприятни условия успяват да се делят на всеки 20 минути, докато типичната еукариотна клетка се нуждае от същия брой часове.

3. Общи особености на еукариотния клетъчен цикъл

         Бавното възпроизводство е част от цената, която еукариотите плащат за своето усложняване. В крайна сметка еукариотната клетка е разработила клетъчен цикъл, подчинен на принципа "всяко нещо с времето си". Репликацията и делението напълно са се разделили по време, дори са се установили сравнително дълги изчаквания между тях, вероятно за да има повече време за репарация на увредена ДНК.

         Веднъж въведен, този механизъм е позволил на клетката да се справи с още повече ДНК. Типичната еукариотна хромозома е толкова по-дълга от бактериалната, че след удвояването дъщерните хромозоми не биха могли да се разделят само чрез дърпане в противоположни посоки. Все едно да се опитаме да разделим два 25-метрови канапа, като хванем по един във всяка ръка и разперим ръце. Ясно е, че канапите трябва първо да се намотаят. Така и хромозомите предварително се скъсяват чрез плътно опаковане на ДНК. Еукариотната клетка може да си позволи това, защото не изисква от своята ДНК да служи като матрица насред деленето.

         Още ранните наблюдатели забелязват кондензираните хромозоми в делящите се клетки. Съответно разпределянето на еукариотните хромозоми между дъщерните клетки получава името митоза (от гр. митос – нишка). По-рядко се използва синонимът кариокинеза (гр. "движение на ядрото"). Разделянето на цялата клетка се нарича цитокинеза (гр. "движение на клетката") и се извършва в края на митозата. Тъй като двата процеса са строго съгласувани, често под митоза се подразбира цялото еукариотно клетъчно делене, включително цитокинезата. Периодът, когато протича митозата, се означава като М-период или М-фаза (от mitosis).

         За клетките, които в момента не се делят, се казва, че са в интерфаза. При сегашното обсъждане ще приравним интерфазата към подготовката за делене. Това е и буквалното значение на термина (от лат. inter – между, т.е. период между две деления). В действителност много клетки, най-вече в многоклетъчните организми, не започват да се стягат за следващо делене веднага след като излязат от делене. Засега обаче ще забравим този факт.

         Интерфазата заема по-голямата част от клетъчния цикъл (обикновено поне 90% от общото време). Когато се описват устройството и функциите на клетката, всъщност се има предвид интерфазната клетка, ако изрично не е подчертано друго. Морфологично интерфазата изглежда безинтересен период на бавен растеж, оттук и пренебрежителното име. Ако обаче се измери количеството ДНК на клетка, ще излезе наяве поне един достоен за внимание процес – репликацията. Времето, когато се синтезира ДНК, се означава като S-фаза (от англ. synthesis).

         Вече се спомена, че репликацията и митозата са разделени от "изчаквания". Преди S-периода има G1-фаза (от англ. gap – празнина, пролука). След репликацията има G2-фаза. И така, клетъчният цикъл включва общо 4 фази – G1, S, G2 и М. На схемата n е хаплоидният брой хромозоми, а c е съответното на него неудвоено количество ДНК.



         Вижда се, че фазите се скъсяват в реда G1 – S – G2 – M. Периодът G1, освен че е най-дълъг, е и с най-променлива продължителност. Митозата обикновено трае 1 – 2 часа, а типичният цикъл общо е около 24 часа.

         Освен ДНК важни промени в хода на клетъчния цикъл търпи и микротубулният цитоскелет. През интерфазата освен хромозомите се удвоява и центрозомата. Удвояването започва в края на G1 и продължава през S-фазата, но двете центрозоми остават заедно до края на G2.

         С навлизането в митоза тубулиновият цитоскелет се променя до неузнаваемост. Двата микротубулни организатора започват да се придвижват в срещуположни посоки. Старите микротубули се разпадат. В замяна на това от организаторите като лъчи се разпространяват нови микротубули. Повечето от тях се протягат в пространството между организаторите, образувайки вретеновидно струпване. Тази структура от микротубули, характерна за митотичната клетка, носи името делително вретено. Двете центрозоми се наричат полюси на вретеното, а централната му част – екватор, а съставящите го микротубули и снопчета от микротубули – нишки на вретеното.

4. Затворена и отворена митоза

         Отделните групи еукариоти донякъде се различават по митозата си. При едноклетъчните и гъбите ядрената обвивка се запазва през цялата митоза, като ядрото се разделя чрез прищъпване. Така е например при дрождите, чието делително вретено се образува вътре в ядрото.


         Митозата със запазване на ядрената обвивка се нарича затворена. Многоклетъчните животни и растения са възприели друг тип митоза – отворена, с "разопаковане" на ядрото и потапяне на хромозомите в цитоплазмата. Вероятно отворената митоза по-лесно се контролира според нуждите на многоклетъчния организъм. Във всеки случай затворената митоза осигурява правилно разпределение на хромозомите и няма съществени недостатъци (иначе едноклетъчните и гъбите щяха досега да са измрели). Така че напразно в старите учебници деленето със запазване на ядрената обвивка се приема за непълноценно и дори не се удостоява с името митоза. Тук е мястото да вметнем, че явлението, описвано в старите учебници като "пряко делене", "просто делене" или "амитоза", не съществува. Деленето на еукариотна клетка винаги е митоза, освен когато е мейоза.

5. Клетъчен цикъл и митоза при животинските клетки

5.1. Интерфаза

         Митозата при животинските клетки се наблюдава най-удобно, когато те се отглеждат в култура извън организма. При подходящи условия на култивиране циклите се редуват с максимална скорост. Разбира се, дори и тогава интерфазните клетки преобладават по брой (защото интерфазата е по-дълга от митозата). Те имат неправилна форма, която се променя с времето. Долната им повърхност толкова добре прилепва към дъното на съда, че самите те са плоски, ”разплескани” върху опората. Структурата на хроматина е фина, не се виждат нишки.

         Измежду интерфазните клетки най-малко достойни за внимание изглеждат тези в G1. Единственият видим за нас процес е нарастването на клетката, което в по-голямата си част протича през G1. Всъщност през G1 стават и други неща, които ще обсъдим по-нататък, но те не се виждат лесно.

         Най-интересни интерфазни клетки са тези в S-фаза, които в момента удвояват своята ДНК. Строго погледнато, S-фазата не е единственият период, когато може да протича някаква синтеза на ДНК. Малко количество ДНК може да се синтезира по всяко време на интерфазата, ако репарацията го изисква. Само през S-фазата обаче може да се инициира репликация. Също така само тогава синтезата на ДНК е широкомащабна и може да се установи, без да се прибягва до най-чувствителните методи и прибори.

         През S-фазата (и само тогава) освен ДНК се синтезират и хистони, за да има с какво да се опаковат удвоените хромозоми. Друго важно събитие, което протича тогава, е удвояването на центрозомата. Върху всяка от старите центриоли перпендикулярно се изгражда нова. Така от две центриоли се получават четири – достатъчно за две центрозоми. Процесът не се вижда, защото двете центрозоми остават една до друга до края на интерфазата.

         Когато репликацията приключи, започва фазата G2. Тя може да се опише като сравнително спокоен период, когато клетката се готви за същинското делене. Удвояването на центрозомата завършва. Ядрото разполага с време за репарация. Цитоплазмата допълнително увеличава обема си, натрупва органели, запасява се с енергия и белтъци за бъдещия делителен апарат. Синтезират се и липиди и мембранни белтъци, защото при цитокинезата ще потрябва допълнителна мембранна повърхност. Всичко това трябва да се подготви предварително, защото през митозата презаписването е невъзможно, а и другите синтези спират или силно се забавят.

5.2. Митоза

         Навлизането в митоза се разпознава първо по поведението на клетката. Тя се закръгля и спира да се движи – знак, че започва драматично преобразуване на цитоскелета. Много скоро в цитоплазмата започва да се изгражда делителното вретено. От центрозомите излизат многобройни микротубули като лъчи. Те са динамични – нарастват, разпадат се и отново започват да растат. Само тези, които се свържат с насрещни микротубули (от другия полюс), се стабилизират. В резултат интерфазната мрежа от микротубули се замества от звезда около центрозомите, която с разделянето им прераства в делително вретено. Същевременно хроматиновата структура загрубява. Уплътняващите се хромозоми се очертават в ядрото като нишки – отначало тънки, после все по-дебели. Всяка хромозома има две добре очертани хроматиди, получени чрез репликация от една изходна молекула през S-фазата и свързани в областта на центромерата от специални белтъци. Ядърцето изчезва, защото неговата ДНК също се опакова плътно. Този начален период на митозата се нарича профаза (от лат. pro – пред).

         Докато хромозомите се удебеляват, ядрото се оказва между полюсите на вретеното. Ядрената обвивка се разпада на малки мехурчета. Нишките на делителното вретено получават достъп до хромозомите и се свързват с центромерите им, защото закачането за центромера (също като свързването с насрещна нишка) ги стабилизира. С всяка хроматида се свързва по една нишка от вретеното, като двете хроматиди на една хромозома се закачат за нишки, излизащи от срещуположните полюси. Всяка нишка дърпа уловената центромера към своя полюс. В резултат хромозомите се придвижват към плоскостта по средата между полюсите, наречена екваториална равнина. Този заключителен етап на профазата често се разглежда като отделен стадий – прометафаза.

         Периодът, когато хромозомите се настаняват в екваториалната равнина, се нарича метафаза (от гр. мета – след), а разположението на хромозомите в тази равнина – метафазна пластинка. Хромозомите са къси и дебели, достигнали максимума на своето уплътняване. Гледани откъм екватора, те са подредени една до друга и една зад друга. Гледани откъм полюса, те са разпръснати в розетка, близо една до друга, но всяка се вижда отделно. Този изглед на метафазната пластинка е най-подходящ за изучаване на кариотипа.

         След като всички хромозоми се подредят в екваториалната равнина, метафазата внезапно свършва с надлъжно разцепване на центромерните области на всички хромозоми. Сестринските хроматиди се разделят и вече заслужават да ги наричаме хромозоми. Делителното вретено, което през цялото време ги е теглело, сега безпрепятствено ги издърпва към полюсите. Процесът се нарича разделяне или сегрегация на хромозомите. Движението се дължи на скъсяване на прикрепените нишки от вретеното чрез деполимеризация на тубулина. Раздалечават се и самите полюси, клетката се удължава. Двата набора раздалечаващи се хромозоми наподобяват два отворени чадъра. Плътната им опаковка започва да се разхлабва. Този стадий се нарича анафаза (от гр. ана – обратно движение).

         Когато хромозомите достигнат съответния полюс, те се събират заедно в тъмни безформени струпвания. Хроматиновите нишки все повече се деспирализират. Около тях чрез сливане на мехурчета се образува наново ядрената обвивка. Делителното вретено изчезва и се замества с фината мрежа от микротубули, свойствена на интерфазната клетка. Този последен етап на митозата се нарича телофаза.

         Докато описаните събития напредват около полюсите, при екватора може да се наблюдава цитокинезата. Още в късната анафаза започва да се образува прищъпване, наречено делителна бразда. През телофазата то се усилва, все едно клетката се пристяга по средата с конец. Всъщност наистина причината е такава; "конецът" е съкратителен пръстен от микрофиламенти и къси миозинови нишки (вж. горната снимка на http://www.hopkinsmedicine.org/cellbio/robinson/kris.html. С времето мостчето цитоплазма между дъщерните клетки изтънява, докато се прекъсне съвсем.


Митоза при култивирани човешки клетки, наблюдавани със светлинен микроскоп. Делителното вретено не се вижда. 1– интерфаза, 2 – профаза, 3 – метафаза (изглед откъм полюса), 4 – метафаза (изглед откъм екватора), 5 – ранна анафаза, 6 – късна анафаза, 7 – ранна телофаза, 8 – късна телофаза.



6. Митоза при растителни клетки

         Клетките на напредналите растения имат клетъчен цикъл, подобен на животинския, и се делят по приблизително същия сценарий. Има обаче две важни разлики. Първо, липсват центрозоми, така че микротубулите изграждат делитетелното вретено без тях, събирайки се в снопове като сламки в метла. Второ, цитокинезата не се осъществява чрез прищъпване поради твърдата клетъчна стена. Затова дъщерните клетки се разделят, като в екваториалната равнина се изгражда нова стена (средна пластинка). Материалът за нея се съдържа в мехурчета, отделяни от апарата на Голджи. Те се пренасят до екватора по т. нар. фрагмопласт – цилиндър от микротубули, останали от делителното вретено и събрани между двете ядра. Пластинката започва от средата и расте настрани, докато се слее със старите стени.


Митоза в клетки от кореново връхче на лук. Отляво надясно: интерфаза, профаза, метафаза (изглед откъм екватора), анафаза, телофаза.



7. Регулация на клетъчния цикъл

         Подготовката за делене и самото делене са важни процеси и трябва да се контролират, за да е сигурно, че протичат правилно. Контролът се осъществява в определени моменти от клетъчния цикъл, наречени точки на преход.

         В началото на новия клетъчен цикъл не се мисли за следващото делене. Клетката просто расте. В края на G1 се намира първият и най-важен преход в клетъчния цикъл, означаван като G1 – S или точка на обвързване. Премине ли го, клетката е длъжна да продължи по цикъла, докато не приключи митозата. До прехода е времето на безгрижен растеж, а след него – истинската подготовка за делене и самото делене: сгъстена поредица от събития с доста твърд времеви ход.

         Преминаването на точката на обвързване се разпознава по синтезата на ензими, които малко по-късно ще бъдат нужни за удвояването на ДНК. Така, докато по-голямата част от G1 до точката на обвързване е период на растеж, заключителният етап на G1 може да се нарече период на подготовка за репликация. Освен това по същото време започва удвояването на централния микротубулен организатор (центрозомата). Така клетката навлиза в S-фазата и удвоява своята ДНК и центрозомите си.

         Когато репликацията завърши, настъпва сравнително спокойният период G2. През по-голямата му част подготовката за митоза протича без притеснение и при необходимост може силно да се забави. В един момент в края на G2 обаче настъпва вторият основен преход в цикъла, наречен преход G2 – M или вход в митоза.

         Началото на митозата се бележи от образуването на делителното вретено. Следва уплътняване на хромозомите и разпадане на ядрената обвивка. Хромозомите се свързват с делителното вретено и се подреждат по екватора.

         Много скоро настъпва и последният преход в клетъчния цикъл. Нарича се метафаза – анафаза или изход от митоза. Свързан е с гореспоменатия хромозомен белтък, разположен в центромерната област. До метафазата включително той съединява сестринските хроматиди. В края на метафазата специален ензим бързо го разгражда. Хроматидите автоматично се разделят и анафазата започва. През късната анафаза и телофазата се осъществяват останалите необходими процеси: хромозомите се декондензират, обграждат се с ядрена обвивка, делителното вретено се разпада, настъпва цитокинеза. Не след дълго клетката възстановява интерфазния си вид и обичайната си дейност.

         Ако няма никакви проблеми, етапите на клетъчния цикъл настъпват в полагаемия ред един след друг, без за това да се вземат специални мерки. Например клетката не се опитва да навлезе в митоза, преди репликацията да е завършила.

         Когато обаче не всичко е идеално, някои събития от клетъчния цикъл могат силно да се забавят и възниква опасност клетката да навлезе в следващия етап, без да е готова за него. Тогава се включват контролни механизми, които спират хода на клетъчния цикъл, докато недовършените или объркани процеси се сложат в ред (ако е възможно). Изчакването става в най-близката точка на преход, която в този случай се нарича контролна точка (буквален превод от англ. checkpoint – контролно-пропускателен пункт).

         Първата контролна точка е в края на G1 и отговаря на познатата ни точка на обвързване. Самостоятелните клетки като дрождите, за да я преминат, трябва да отговарят на две условия: да са достигнали определени размери и да не съдържат забележимо количество увредена ДНК. Ако поне едното изискване не е изпълнено, клетката не навлиза в S-фаза. Ясно е, че не е разумно да се пристъпва към репликация с неремонтирана ДНК. Също така е очевиден биологичният смисъл на изискването за големина. Ако не се следеше растежът, в гладни времена натрупването на клетъчна маса щеше да изостане от деленето. Можем да си представим смаляване на клетката след всеки цикъл и потомство от дребни клетки, състоящи се предимно от ядро. Ето защо в контролната точка G1 – S клетката мери ръста си (или по-точно съотношението цитоплазма – ядро, доколкото полиплоидните клетки са по-едри от диплоидните).

         Клетките в многоклетъчните организми, за да преминат през първата контролна точка, също трябва да имат достатъчно натрупана цитоплазма и ядро в добро състояние. Тук обаче има и трето изискване: отвън да се получи зелена светлина. В многоклетъчния организъм към делене трябва да пристъпват само клетки, получили разрешително от организма. Засега няма да задълбаваме в този въпрос (това е предмет на последния раздел).

         В края на G2 има контролна точка, съответна на прехода G2 – M. За да бъде премината, основното условие е състоянието на хромозомите. Ако има увредена или недокрай реплицирана ДНК, клетката не навлиза в митоза. Друго условие е успешното удвояване на центрозомата.

         Последната контролна точка в клетъчния цикъл се нарича контролна точка за изградено вретено и отговаря на прехода метафаза – анафаза. За да премине през нея, клетката трябва да подреди всичките си хромозоми в метафазната пластинка. Ако някоя хромозома е далеч от екватора, откачила се е от вретеното или самите микротубули са повредени, надзорният механизъм влиза в действие. Хроматидите не се разделят и митозата не продължава.

         Когато са нужни метафазни пластинки за изследване на кариотипа, обичайният подход е делящи се клетки да се обработят с отровата колхицин. Тя деполимеризира тубулина и така уврежда микротубулите от делителното вретено. Всички клетки спират митозата си на етап метафаза. Би могло да се попита как, ако вретеното е неизправно, клетката изобщо успява да стигне до метафаза. Отговорът е, че при използваната доза колхицин вретеното се запазва достатъчно, за да придърпа хромозомите до метафазната пластинка, но тогава се задейства контролната точка и забранява прехода към анафаза.

         И така, всички преходи в митотичния цикъл се регулират строго, за да може клетката да оцелява и да се възпроизвежда дори в условия, които не са оптимални. Ето защо еукариотната клетка при цялата си сложност предава облика си в поколенията почти винаги без грешка.


Основни източници

         Марков Г. (1984). Тайните на клетката. 3. осн. прер. изд. Народна просвета, София.
         Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
         Watson J.D., M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller, G. Witkowski. Recombinant DNA. 2nd edition. W.H. Freeman & Co., 1992.


Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел Начало Следващ раздел