Cykl komórkowy i śmierć komórki
Cykl komórkowy to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem jednego i końcem następnego podziału. Składa się on z interfazy, czyli okresu między podziałami, oraz samego podziału, czyli mitozy lub mejozy. W interfazie zachodzi podwojenie materiału genetycznego, zaś w czasie mitozy podwojony materiał genetyczny jest rozdzielany w równych częściach do dwóch komórek potomnych. W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się fazę G1- między końcem mitozy a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę S - syntezy DNA, oraz fazę G2- między końcem syntezy DNA a początkiem mitozy. W większości komórek roślin i zwierząt występuje pełny cykl tj. typu G1+S+G2+M, jednak u części komórek może on być skrócony, i tak w komórkach szybko proliferujących, rosnących w intrefazie np. nici spermatogeniczne w plemniach ramienic brak jest fazy G1, cykl typu S+G2+M. Zaś w komórkach szybko proliferujących bez wzrostu komórki np. pierwsze podziały zygoty u ssaków, występuje cykl typu S+M.
W cyklu komórkowym można wyróżnić cztery fazy: M, G1, S i G2, G0.
FAZA M- w fazie M dokonuje się podział jądra komórkowego (mitoza) oraz cytoplazmy (cytokineza). Na początku fazy M chromatyna, która w czasie całej interfazy występuje głównie w postaci cienkich, splątanych nici, zaczyna przyjmować bardziej upakowaną formę. Ścisłe upakowanie chromosomów podziałowych ułatwia ich precyzyjny rozdział do komórek potomnych.
FAZA G1- jest okresem życia komórki od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórki wchodzące w tą fazę są 2-krotnie mniejsze niż kom. matka. Czas trwania tej fazy jest najbardziej zmienny i wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Faza ta charakteryzuje się intensywnymi procesami anabolicznymi, znacznym stopniem wymian chemicznych z otoczeniem oraz wzrostem innych przejawów aktywności jak ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony itp., co prowadzi do wzrostu masy i objętości komórki. Ponadto zachodzą procesy związane z przygotowaniem do replikacji DNA tj. synteza prekursorów DNA oraz enzymów replikacyjnych.
We wczesnej fazie G1 komórka osiąga punkt restrykcyjny R i jeśli go przekroczy, wówczas podejmie syntezę DNA i zakończy cykl podziałem. Jeśli go nie przekroczy wchodzi w fazę spoczynkową G0. Mechanizm przechodzenia lub nie przez punkt R wiąże się z syntezą, nagromadzeniem i stopniem fosforylacji białek niestabilnych tzw. białek U, które są cyklinami.
FAZA S - przed każdym podziałem ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się, dokonuje się to w ograniczonym czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S). W fazie S ulega replikacji niemal cały jądrowy DNA -tzw. programowana synteza DNA - według sposobu semikonserwatywnego tj. podwójna spirala ulega rozdzieleniu a na każdej z jej obu nici syntetyzowana jest nowa. Istnieje też nieprogramowana synteza DNA dotycząca niewielkich jego fragmentów (synteza naprawcza). Jest ona następstwem uszkodzeń , mutacji nici DNA i nie jest związana z cyklem komórkowym.
FAZA G2 - obejmuje okres od zakończenia replikacji do rozpoczęcia mitozy i trwa kilka godzin. W tym czasie zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego gł. tubuliny oraz składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmalemmy w telofazie i cytokinezie, jak również wyznaczenie płaszczyzny podziału (pierścień preprofazowy). Pod koniec fazy następuje uaktywnienie kinazy fazy M.(=MPF,=czynnik przyspieszający dojrzewanie) co prowadzi do rozpoczęcia i przeprowadzenia mitozy.
FAZA G0 - jest stanem spoczynkowym komórki - komórki funkcjonują lecz tracą zdolność odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się. Przejście w tą fazę może nastąpić u zwierząt z G1,u roślin z G1 lub G2. Komórki charakteryzują się obniżonym tempem metabolizmu, mniejszą aktywnością transkrypcyjną. Czas trwania tej fazy jest różny, od kilku dni do miesięcy i dłużej. Pod wpływem różnych bodźców komórki z fazy G0 mogą wchodzić w cykl komórkowy, zawsze do fazy w której nastąpiło jego przerwanie. Im dłużej komórki pozostają w fazie G0, tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.
Kontrola cyklu komórkowego
Regulacja cyklu komórkowego odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji białek. Fosforylacja (przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na odpowiednią resztę aminokwasową białka docelowego) jest katalizowana przez różnorodne kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy. Substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy, a najczęściej fosforylowanymi aminokwasami tych białek są tyrozyna i treonina. Fosforylacja (i defosforylacja) jest jednym z najczęściej używanych przez komórkę sposobów zmiany aktywności białek.
Kinazy białkowe układu kontroli cyklu komórkowego są obecne w komórkach dzielących się podczas całego cyklu. Są jednak aktywowane tylko w odpowiednim okresie cyklu, po czym szybko tracą aktywność. Stąd aktywność każdej z tych kinaz cyklicznie zwiększa się i zmniejsza.
Aktywność kinaz białkowych zależy od innego zestawu białek układu kontroli — od cyklin. Cykliny same nie mają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego, zanim kinazy te mogą zyskać aktywność enzymatyczną. Stąd kinazy układu kontroli cyklu komórkowego są nazywane kinazami białkowymi zależnymi od cyklin.
Cykliny występują w komórkach jako cykliny A i B oraz C, D i E. W czasie cyklu komórkowego cykliny A, C, D i E są syntetyzowane de novo i ich stężenie w komórce rośnie w miarę upływu cyklu, zaś cyklina B jest syntetyzowana w fazie G2. Maksymalne stężenie cyklin występuje w metafazie/anafazie mitozy, po czym ulega ono obniżeniu na skutek trawienia ich przez proteazy.
Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach czasowych (punktach kontrolnych) cyklu komórkowego: pod koniec fazy G2 (co prowadzi do przejścia G2 ® M , tj. zapoczątkowanie mitozy) oraz w fazie G1 (co prowadzi do przejścia G1 ® S , tj. zapoczątkowanie syntezy DNA). Każdy rodzaj kompleksu cyklina - Cdk działa na różny zestaw białek docelowych w komórce
Stężenie różnych typów cyklin zwiększa się, a potem gwałtownie maleje na skutek degradacji na drodze ubikwitynacji w określonym czasie cyklu komórkowego. Wzrost stężenia każdego typu cykliny wspomaga aktywację jej partnerskiej Cdk, a nagły jego spadek przywraca tę Cdk do stanu nieaktywnego. Powolne gromadzenie się cyklin, aż do krytycznego poziomu, jest jednym ze sposobów pomiaru odstępów czasu między jednym etapem cyklu, a następnym w układzie kontroli cyklu komórkowego.
Przejście z późnej fazy G2 do M. dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M, znanej jako czynnik wywołujący dojrzewanie. Jest ona heterodimerem białkowym składającym się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 kD (cyklina). W kompleksie tym białko p34 jest kinazą fosforylującą reszty seryny i treoniny wielu białek a cyklina (białko p34) nadaje aktywnemu kompleksowi powinowactwo do odpowiedniego substratu.
Kinaza fazy M powstaje w fazie G2 w wyniku utworzenia kompleksu p34 z głównie z B. Kinaza MPF fosforyluje wiele kluczowych białek, zmieniając ich właściwości, np: rozpad otoczki jądrowej zachodzi w wyniku fosforylacji i demontażu biegnących pod otoczką jądrową filamentów laminy, podobnie fosforyluje białka towarzyszące mikrotubulom, co zmienia właściwości mikrotubul tak, że tworzą wrzeciono podziałowe, fosforyluje również histon H1 co powoduje kondensację chromosomów.
Regulacja fazy S odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki G1 ® S oraz przez kontrolę zakończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że białko p34 może łączyć się w fazie G1 głównie z cykliną A, D lub E, dając kompleks kinazy podobny do kinazy fazy M, nazywany kinazą fazy S. Aktywność takiej kinazy prowadzi komórki przez punkt startowy = restrykcyjny (w późnej fazie G1). Półokres trwania cyklin G1wynosi zaledwie ok. 15 min., co odpowiada klasie białek niestabilnych (białek U), które znane są od dawna i których nagromadzenie w komórce jest warunkiem przejścia G1 ® S.
Zaburzenia cyklu komórkowego, a transformacja nowotworowa komórek.
Układ kontroli cyklu komórkowego włącza zdarzenia cyklu w określonej kolejności. Na przykład, włącza mitozę tylko wtedy, gdy cały DNA został zreplikowany oraz pozwala komórce podzielić się na dwie dopiero po zakończeniu mitozy. Jeżeli jeden z etapów zostaje opóźniony, układ kontroli opóźnia aktywację następnych etapów tak, że ich sekwencja zostaje zachowana. Na przykład, ta właściwość samoregulacji układu kontroli zapewnia, że jeżeli synteza DNA zostaje zatrzymana z jakiegoś powodu w fazie S, to komórka nie wejdzie w fazę M z DNA zreplikowanym tylko w połowie.
Większość mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za zahamowanie biegu cyklu komórkowego w punktach kontrolnych jest słabo poznanych. W niektórych przypadkach są za to odpowiedzialne swoiste białkowe inhibitory Cdk; blokują one powstawanie bądź aktywność jednego albo kilku kompleksów cyklina-Cdk. Jeden z lepiej poznanych punktów kontrolnych zatrzymuje cykl komórkowy w G1 po uszkodzeniu DNA, co zapobiega replikacji przez komórkę uszkodzonego DNA. Uszkodzenie DNA powoduje nie poznanym dotąd mechanizmem zwiększenie stężenia i aktywności białka regulatorowego genów, nazwanego białkiem p53. Zaktywowane białko p53 zwiększa transkrypcję genu kodującego białkowy inhibitor Cdk, nazywanego p21. To zwiększa stężenie białka p21, które wiąże się z kompleksami cyklina-Cdk fazy S, odpowiedzialnymi za wprowadzenie komórki do fazy S i blokuje ich działanie. Zatrzymanie cyklu komórkowego w G1 daje komórce czas na reperację uszkodzonego DNA, zanim zostanie on zreplikowany. Gdy brak jest białka p53 albo jest ono nieaktywne, zachodzi nieograniczona replikacja uszkodzonego DNA, co zwiększa częstość mutacji i możliwości pojawienia się komórek nowotworowych. Mutacje genu p53, które pozwalają dzielić się komórkom z uszkodzonym DNA, stanowią ważny element w rozwoju większości nowotworów u człowieka.
Programowana śmierć komórki (apoptoza).
Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek nie tylko do śmierci, lecz też do przeżycia. Pozbawione takich czynników przeżycia komórki aktywują śródkomórkowy program samobójczy i giną w procesie nazywanym programowaną śmiercią komórki. Ta konieczność otrzymywania od innych komórek sygnałów do przeżycia pomaga w utrzymaniu komórek tylko wtedy, gdy są one potrzebne i tam, gdzie są potrzebne. W tkankach rozwijających się i dojrzałych częstość programowanej śmierci komórek jest bardzo wysoka.
Apoptoza jako śmierć czynna, wymagająca w swym przebiegu syntezy RNA i białek, jest alternatywną formą śmierci w stosunku do martwicy (nekrozy), która jest śmiercią przypadkową – bierną. Apoptoza zwana jest też fizjologiczną lub programowaną śmiercią komórki, występuje podczas całego rozwoju organizmu. Za jej pomocą organizm pozbywa się nadmiaru niepotrzebnych komórek, a także eliminuje zainfekowane, uszkodzone lub zmutowane komórki. Ostatecznie zatem o liczbie komórek w organizmie decyduje równowaga pomiędzy ich proliferacją i śmiercią, regulowana przede wszystkim przez gospodarkę hormonalną ustroju, dostępność czynników wzrostowych oraz substancji odżywczych.
Komórki umierające w wyniku apoptozy wykazują szereg charakterystycznych, morfologicznych zmian. Komórka apoptyczna z reguły oddziela się od pozostałych. Na skutek utraty wewnątrzkomórkowej wody i elektrolitów dochodzi do jej obkurczenia, zmiany kształtu, wielkości oraz zagęszczenia cytoplazmy. Powierzchnia takiej komórki ulega charakterystycznemu pofałdowaniu. Jednocześnie dochodzi do zmian w chromatynie jądrowej. Ulega ona zagęszczeniu i początkowo gromadzi się w pobliżu błony jądrowej. Następnie wypełnia ona całe jądro. Organella są gęsto upakowane w cytoplazmie i nie wykazują znaczących zmian morfologicznych.
Cechą charakterystyczną procesu apoptozy są zmiany zachodzące w budowie błony komórkowej. Dochodzi wówczas do zaburzenia asymetrii w rozmieszczeniu fosfolipidów błonowych. W normalnej komórce na powierzchni błony przeważają fosfolipidy obojętne, do których zalicza się: sfingomielinę i fosfatydylocholinę. W warstwie wewnętrznej zaś dominują fosfolipidy anionowe, takie jak fosfatydyloseryna. W komórkach apoptycznych fosfatydyloseryna jest eksponowana w zewnętrznej warstwie błony komórkowej.
Apoptoza jest ściśle kontrolowana na poziomie mitochondriów. Zaburzenia funkcji tych organelli podczas apoptozy jest spadek potencjału elektrochemicznego. Następuje on przed pojawieniem się fragmentacji DNA i zmian morfologicznych komórki charakterystycznych dla apopotozy. Spadek potencjału poniżej krytycznej wartości sprzyja otwarciu megakanałów mitochondrialnych, w wyniku czego dochodzi do uwolnienia z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów do cytoplazmy szeregu białek apoptogennych.
Kolejnym znacznikiem apoptozy jest degradacja DNA, przebiegająca w kilku etapach. W pierwszym z nich powstają duże fragmenty DNA, w kolejnym etapie, DNA może ulec fragmentacji do krótkich odcinków. Stosując technikę elektroforezy w żelu agarozowym -można rozdzielić DNA podegradowane na mono- i oligonukleosomy. Fragmenty te układają się w charakterystyczną drabinę. Do fragmentacji DNA dochodzi w wyniku aktywacji specyficznych endonukleaz.
Kaspazy to enzymy, które przecinają łańcuch polipeptydowy na reszcie argininy w określonej sekwencji aminokwasowej. Zostały podzielone na dwie grupy: kaspazy inicjatorowe i kaspazy egzekutorowi. W początkowej fazie apoptozy aktywowane są kaspazy inicjatorowe, a dopiero później kaspazy egzekutorowi, których substratami są różne białka komórkowe.
Apoptoza leży u podstaw procesu nowotworzeni. Obecnie powstawanie i rozwój nowotworu to nie tylko wynik nagromadzenia się mutacji w poszczególnych klasach genów komórki. Równie istotnym czynnikiem w tych procesach jest również zdolność komórek nowotworowych do wyłączenia mechanizmu samozniszczenia. Może to prowadzić do nieprawidłowego zwiększenia żywotności komórek, wydłużania ich życia, utrwalania już zaistniałych mutacji, zakłóceń w przebiegu cyklu komórkowego oraz wystąpienia oporności komórek na działanie cytostatyków. Ograniczenie zjawiska apoptozy prowadzi również do powstania szeregu złośliwych chorób proliferacyjnych oraz autoagresji układu odpornościowego, np. zakażenia wirusowe, AIDS, choroby nowotworowe takie jak: rak jelita grubego, płuca, piersi, zawał serca, choroba Parkinsona i Alzhaimera.
Nieprogramowalna śmierć komórki (nekroza).
Komórki, które giną w wyniku ostrego urazu, obrzękają i pękają, uwalniając swoją zawartość do otoczenia komórek sąsiednich to proces nazywany nekrozą (martwicą) komórki. Na skutek biernego transportu jonów komórki zwiększa swoją objętość, ponieważ napływ tychże jonów do jej wnętrza powoduje równocześnie zwiększenie poboru wody przez komórkę. Wzrost stężenia wewnątrzkomórkowego wapnia wpływa również hamująco na syntezę ATP i zwiększa aktywność enzymów proteolitycznych. Organella komórkowe ulegają spęcznieniu, a w późniejszym etapie zniszczeniu na skutek rozerwania membran. Końcowym etapem nekrozy jest utrata ciągłości błony komórkowej: cytoplazma, organella, cała właściwie zawartość komórki wylewa się na zewnątrz. W czasie tego procesu nie obserwuje się syntezy mRNA i białek de novo. Rozpad komórki nekrotycznej i wydostanie się jej zawartości do otoczenia wywołuje w organizmie reakcje zapalne. Proces ten jest reakcją ochronną organizmu, w wielu wypadkach konieczną. Charakteryzują go jednak niekorzystne dla całego ustroju cechy, np.: gorączka, odczyny alergiczne, miejscowe zaburzenia w krążeniu, wysięki. Z tego powodu zmiany martwicze (nekrotyczne) są niepożądane.
Literatura:
J. Duszyński, K. Grykiel, L. Hryniewiecka, A. Jarmołowska – Biologia, wyd. PWN
www.wikipedia.com/cykl komórkowy
W. Kilarski – Strukturalne podstawy biologii komórki, wyd. PWN