32 Krystyna Kozłowska
4. PROCES WZROSTU KOMÓREK I JEGO
MOLEKULARNE ASPEKTY
Proces, w którym zwiększa się masa i objętość organizmu nazywamy wzro-
stem.
Zjawisko wzrostu jest sumą dwóch procesów:
1. wzrostu pojedynczych komórek (powiększenie ich masy i objętości),
2. zwiększenia liczby komórek (podział).
Zwiększenie się masy i objętości żywego organizmu zachodzi zatem dzięki
procesom wzrostu. Podkreślić należy, że zjawisko wzrostu dotyczy zarówno
pojedynczej komórki jak i zespołu komórek czyli populacji.
Wzrost pojedynczej komórki należy rozumieć jako powiększenie się jej ma-
sy, objętości. Wzrost zespołu komórek dokonuje się głównie dzięki zwiększeniu
się ilości tych komórek na drodze podziałów mitotycznych. Nie wszystkie zespo-
ły komórkowe wykazują ten sam charakter wzrostu.
Grupy komórkowe, które wykazują ten sam charakter wzrostu (tj. podobne
tempo i zdolność do podziału) określamy jako populacje komórkowe.
Rodzaje populacji komórkowych
U człowieka wyróżniamy następujące populacje:
1. rozrastające się  powiększenie ilości komórek zachodzi dzięki dużej
ilości mitoz, a wzrost ma charakter wykładniczy. Takie populacje
komórkowe występują w warunkach prawidłowych, w okresie życia
embrionalnego. W zakresie tej populacji większość komórek jest nie-
zróżnicowana. Z takim rodzajem populacji komórkowych spotykamy
się też w patologii, gdyż ten typ wzrostu charakterystyczny jest dla
wczesnych etapów wzrostu nowotworów złośliwych.
2. wzrastające  należą tu komórki, które dzielą się aby zapewnić
wzrost tkanek. Komórki tej populacji dzielą się jako komórki w pełni
zróżnicowane. Ten wzrost typowy jest zatem w okresie pozapłodo-
wym, w okresie wzrostu całego organizmu. Podział komórek nastę-
puje dlatego, aby tkanka wzrastała. Wskaz
nik mitotyczny na ogół ni-
ski, zwiększa się gwałtownie pod wpływem stymulatorów. Do tej po-
pulacji należą m.in. komórki nadnerczy, nerki, ślinianek, tarczycy,
trzustki.
Proces wzrostu komórek i jego molekularne aspekty 33
3. odnawiające się  należy tu grupa komórek, które ulegają szybkiemu
niszczeniu i aby ilość komórek wchodzących w skład tej populacji
w danym narządzie była względnie stała, występują liczne mitozy.
W tej populacji duża utrata komórek równoważona jest ich dużym
przyrostem. Dla przykładu: erytrocyty są to komórki szybko rozpa-
dające się, ale jednocześnie ilość komórek wkraczających na drogę
erytropoezy równoważy ich ubytek; innym przykładem jest naskórek,
gdzie złuszczające się komórki są zastępowane przez intensywnie
dzielące się komórki warstwy rozrodczej; podobnie jest w przypadku
komórek gruczołów śluzowych czy plemników.
4. statyczne - to grupy komórek, w których nie stwierdza się żadnej ak-
tywności mitotycznej. Komórki tej populacji charakteryzują się tym,
że w ciągu życia osobniczego równolegle ze wzrostem organizmu
powiększają tylko swą objętość, proporcjonalnie do całkowitej masy
ciała, do tej populacji należy np. znakomita większość neurocytów
i komórki siatkówki.
Charakter wzrostu populacji
Jeżeli rozpatruje się wzrost komórek w obrębie określonej populacji to moż-
na zauważyć występowanie pewnych faz. Jeśli na populację zadziałał czynnik
pobudzający to w pierwszej fazie (stosunkowo krótkiej) nie zauważamy zmian,
jest to faza zastoju; zaraz po niej występuje następna faza wzrostu wy-
kładniczego, trwa ona przez pewien czas po czym następuje spadek szybkości
wzrostu populacji i przejście do fazy stacjonarnej, w której wzrost nie następuje.
lg N
1. Faza zastoju
2. Faza wzrostu
wykładniczego
3. Faza stacjonarna
12 3
czas
Ryc. 28. Krzywa wzrostu populacji komórek.
34 Krystyna Kozłowska
Taki charakter wzrostu gdzie wzrost wykładniczy trwa tylko przez pewien
okres życia populacji (różny  zależnie od rodzaju populacji) uniemożliwia po-
wstanie bardzo wielkiej liczby komórek. Tak więc taki charakter wzrostu ograni-
cza nadmierny rozmiar wzrostu w obrębie populacji.
Jednakże przyczyny dla których populacje komórkowe zachowują się w taki
właśnie sposób nie są dokładnie poznane.
Jeżeli przyjąć, że wzrost populacji komórkowych przynajmniej w pewnej fa-
zie ma charakter wykładniczy to można scharakteryzować go krzywą.
lg N
czas
Ryc. 29. Przyrost liczby komórek w zależności od czasu
Wzrost zsynchronizowany
Chociaż jak zauważono, populacja podwaja się wraz z upływem czasu jed-
nak zjawisko to nie dotyczy wszystkich komórek populacji. Nie wszystkie ko-
mórki dzielą się równocześnie i tą sama ilość razy. Różne komórki populacji
dzielą się przypadkową ilość razy. Jeżeli nawet spowodujemy doświadczalnie
zahamowanie wzrostu komórek populacji, a potem usuniemy czynniki hamujące
wzrost to tylko przez krótki okres czasu wzrost jest zsynchronizowany (podział
następuje jednocześnie w całej populacji), a wkrótce długość okresu między
podziałami poszczególnych komórek staje się coraz bardziej przypadkowa.
Wynika to z tego, że w prawidłowych warunkach życia organizmu wzrost
populacji ma charakter niezsynchronizowany.
Zauważono, że w każdej populacji istnieją dwa rodzaje komórek:
a) komórki dzielące się;
b) komórki odpoczywające.
Stosunek ilościowy jednego rodzaju komórek do drugiego, będzie określał
rzeczywistą intensywność wzrostu komórek.
Proces wzrostu komórek i jego molekularne aspekty 35
Dlaczego tak jest, jeszcze nie wiemy. Prawdopodobnie zależy to od całego
zespołu czynników regulujących wzrost. Za nim jednak zatrzymamy się nad tym
zagadnieniem należy zwrócić uwagę na cykl życiowy komórki.
Cykl komórkowy
Wraz z podziałem komórki macierzystej na dwie komórki potomne kończy
się istnienie tej komórki. Dlatego czas upływający między jednym a drugim po-
działem wyznacza okres życia komórki.
Okres ten nazywamy cyklem komórkowym.
Cykl komórkowy składa się ze ściśle określonych etapów  faz. Cykl jest
okresem specyficznym dla populacji komórkowej (a także dla danej komórki
w danej populacji), i czas trwania jego jest różny. Przede wszystkim różna jest
faza G1, różnić ona się może nawet dla komórek w obrębie tej samej populacji
(waha się od kilku godzin do kilkunastu dni), z tego też m.in. względu wzrost
samej populacji nie jest zsynchronizowany.
M
G1 faza
F
G2 podział
presyntetyczna
A
G1
Z
4 godz.
S faza syntezy
Y
10 godz.
DNA
Cykl
komórkowy
C
G2 faza
Y
postsyntetyczna
K
9 godz.
L
S
M podział
U
Bardzo wydłużona faza G1 określana jest jako faza G0.
Wspomniane już  odpoczywające komórki populacji znajdują się w fazie
G0.
Faza S, trwa w komórkach ssaków przeciętnie dziewięć godzin. Faza G2 trwa
około czterech godzin. Zauważyć należy, że o ile wzrost całej populacji komór-
kowej odbywa się głównie dzięki podziałom komórkowym, czyli dzięki powtó-
rzeniom cykli komórkowych to wzrost poszczególnej komórki odbywa się głów-
nie w fazie G1 lub G0. Intensywność wzrostu populacji może się odbywać dzięki
skróceniu czasu cyklu komórkowego albo dzięki zwiększeniu się ilości komórek
dzielących się. W okresie zarodkowym komórki rosną szybko ponieważ mają
36 Krystyna Kozłowska
cykl komórkowy krótki (około 10 godzin) a także dlatego, że ilość komórek
dzielących się jest duża. W organizmach dojrzałych w komórkach zróżnicowa-
nych, cykl komórkowy jest dłuższy i jak wspomniano dla poszczególnych po-
pulacji ma wartości stałe. Jeżeli intensywność wzrostu zwiększa się to jedynie
dlatego, że zwiększa się ilość komórek dzielących się.
Jeszcze na początku ubiegłego stulecia uważano, że komórki w hodowlach
tkankowych mogą dzielić się i odnawiać bez końca. Z biegiem czasu badacze
musieli wycofać się z tego poglądu.
Obliczono, że zależnie od typu hodowli po maksymalnie 90 podziałach ko-
mórka przestawała dzielić się i rosnąć. Wyciągnięto stąd wniosek, że w genoty-
pie każdej komórki zakodowana jest informacja ile razy komórka może się dzie-
lić. Dopiero mutacje nowotworowe (co związane jest ze zmianą zapisu
w genotypie) mogły przesunąć granice życia komórki do 150  200 podziałów.
Do tej pory mechanizm tego zjawiska nie jest znany, wysuwa się różne po-
glądy mające na celu wyjaśnienie tej sprawy. Badacze uważają, że w komórkach
hodowli tkankowych proporcjonalnie do ilości podziałów zwiększa się ilość
błędów w DNA, w wyniku czego wzrasta też ilość zmutowanych białek. Koniec
podziałów to  katastrofa błędów .
Regulacja wzrostu
Czynnik
wzrostowy
I. Połączenie się czynnika
wzrostowego z częścią
wiążącą receptora (1)
Receptor
1
wywołuje zmiany kon-
dla czynnika
formacyjne i powoduje:
wzrostu
II. aktywację części recep-
tora o aktywności kinazy
(2)
III. aktywację mediatorów
inicjujÄ…cych fazÄ™ S
2
IV. podział komórki
enzym kinaza: tyrozyny, treoniny, seryny
kinazy  enzymy fosforylujÄ…ce (PO33-) substraty
Onkogeny  geny kodujące informacje o procesach wzrostu i różnicowania
się. Onkogeny kodują informację o części receptorów dla czynników wzrostu
Proces wzrostu komórek i jego molekularne aspekty 37
(tj. tej części, która wykazuje aktywność enzymatyczną kinaz: tyrozyny, treoni-
ny, seryny). W czasie embriogenezy ekspresja onkogenów wzrasta.
Powierzchnia komórki a proces wzrostu
O tym, że powierzchnia komórek reguluje proces wzrostu świadczą nastę-
pujÄ…ce zjawiska:
1. zjawisko inhibicji kontaktowej;
2. zmiany jakościowe i ilościowe w glikokaliksie w czasie podziału;
3. mitogeny, lektyny.
Ad. 1. Zjawisko to obserwowane w hodowlach tkankowych polega na tym,
że gdy komórki mnożące się pokryją całą powierzchnię hodowlaną i zaczną się
układać na powierzchni komórek poprzedniej warstwy  podział ich ustaje.
Kontakt powierzchni jednej komórki z powierzchnią innej hamuje ich prolifera-
cję. Zjawisko to występuje wyłącznie w hodowlach komórek prawidłowych.
W hodowlach komórek nowotworowych, których powierzchnia jest zmie-
niona zjawisko inhibicji kontaktowej nie występuje.
Ad. 2. W poszczególnych fazach podziału komórkowego występują zmiany
w kompleksach cukrowcowo-białkowych budujących powierzchnię komórkową.
Ad. 3. Na powierzchni komórek znajdują się receptory dla substancji, które
po związaniu się z tymi receptorami mogą wywołać podziały komórek, takie
substancje nazywamy mitogenami.
Na powierzchni komórek znajdują się molekuły adhezji z grupy lektyn, które
często są mitogenami. Na powierzchni komórek są również receptory dla lektyn,
które wiążąc się z lektynami z innych komórek lub lektynami pochodzącymi
z otoczenia komórek (podane z zewnątrz) mają wywołać ich proliferację.
CZYNNIKI WZROSTU
CZYNNIKI WZROSTU
komórka prawidłowa komórka nowotworowa
Ryc. 30. Porównanie regulacji wzrostu w komórce prawidłowej i nowotworowej.
38 Krystyna Kozłowska
Komórki prawidłowe wiążą czynniki wzrostu produkowane przez inne ko-
mórki; komórki nowotworowe produkują czynniki wzrostu same dla siebie.
Tworząc taki  samonapędzający się system  rosną m. in. dlatego szybciej.
Niektóre aspekty molekularnej regulacji wzrostu
W rozwoju ewolucyjnym organizmy wyższe wykształciły wielopoziomowy
system zabezpieczeń przed niekontrolowanym wzrostem. W systemie tym dzia-
Å‚ajÄ…:
1. geny supresorowe i ich produkty,
2. specyficzne białka  cykliny,
3. specyficzne białka enzymatyczne  kinazy serynowo - treoninowe zależ-
ne od cyklin (cyclin dependent kinases) cdk,
4. inhibitory tych kinaz.
Gen supresorowy wg definicji Weinberga (1991) to taki gen, którego utrata
lub zmutowanie, powoduje różnorodne zaburzenia wzrostu komórek. Genów
supresorowych, zwanych też antyonkogenami znamy wiele.
Produkty tych genów lokalizują się w różnych miejscach w komórce i pełnią
różną funkcję, ale przede wszystkim zabezpieczają komórki przed niekontrolo-
wanÄ… proliferacjÄ….
Gdy geny supresorowe ulegają mutacjom, może dojść do rozwoju nowotwo-
rów.
Kinazy cdk i cykliny
Kinazy cdk i cykliny
cdk m. cz. (kDa) Cykliny Inhibitor kinazy Aktywność w fazie cyklu
cdk m. cz. (kDa) Cykliny Inhibitor kinazy Aktywność w fazie cyklu
1 34 A,B białko p21 S, G2/M
1 34 A,B białko p21 S, G2/M
2 33 A, D1, D3, E białko p21 G1, G1/S, S
2 33 A, D1, D3, E białko p21 G1, G1/S, S
3 36 ? ? G1
3 36 ? ? G1
4 34 D1 białko p21 G1
4 34 D1 białko p21 G1
5 35 D1 ? G1
5 35 D1 ? G1
6 40 D1 ? G1
6 40 D1 ? G1
7 42 H ? ?
7 42 H ? ?
Proces wzrostu komórek i jego molekularne aspekty 39
Występowanie i właściwości wybranych białek kodowanych przez geny
supresorowe człowieka
Produkt genu
Działanie Brak lub
Chromosom Gen i występowanie
produktu genu inaktywacja
w komórce
- czynnik transkrypcyjny
-
Blok proliferacyjny
dla genów hamujących
usunięty
wzrost komórek
komórki z G1
z G1
- indukuje ekspresjÄ™
-
podział wzrost

białka p21 - inhibitora
Białko 53 kDa,
17 p53
Brak w większości
kinaz cdk
jądro komórkowe
ludzkich nowotwo-
-  strażnik genomu -
rów; w 50% nowo-
gdy jest uszkodzenie
tworów ludzkich
DNA  nie następuje
mutacje genu p53
replikacja
po ufosforylowaniu
proliferacja, mutacja
wiąże się z czynnikami
tego genu brak pro-
transkrypcyjnymi, ha-
Białko 110 kDa, duktu stwierdzany w:
13 Rb-1
mujÄ…c transkrypcjÄ™
jądro komórkowe siatkówczaku, mię-
pewnych genów, komór-
saku kostnym, raku
ka nie może przejść z G1
sutka
S
brak produktu
udział w wiązaniu re-
Białko 66 kDa, stwierdzany w: opo-
22 NF-2
ceptorów błonowych
błona komórkowa niakach, osłoniakach
adhezji z cytoszkieletem
nerwowych
Cykliny  białka; znamy kilka klas A, B, D, E, H; ich zawartość w czasie
cyklu komórkowego  zmienia się; syntetyzowane są i rozkładane cyklicznie;
w G1, S aż do metafazy ich poziom rośnie, w anafazie są gwałtownie degrado-
wane.
Cykliny tworzą kompleksy z cdk, co sprawia, że enzymy te są cyklicznie ak-
tywowane; rozpad kompleksu  inaktywacja cdk.
Kinazy cdk  białka, m. cz. 32  42 kDa, znamy 7 klas: 1, 2, 3......
 białka, m. cz. 32  42 kDa, znamy 7 klas: 1, 2, 3......
kinaza 1  cyklina A, B
kinaza 2  cyklina A, D
kinaza 3  ?
kinaza 4, 5, 6  cyklina D
kinaza 7  cyklina H
40 Krystyna Kozłowska
P
C
Y
cdk2
cdk2 2
K
L
I
BB
N
A
Ryc. 31. Biologiczna rola kompleksu: kinaza cdk  cyklina.
Kompleks ten fosforyluje histon H1 dzięki czemu:
1. tworzÄ… siÄ™ chromosomy,
2. rozpada siÄ™ otoczka jÄ…drowa,
3. następuje fosforylacja tubuliny  tworzy się wrzeciono kariokinetyczne.
Zdolność fosforylacji H1 jest miarą aktywności enzymatycznej cdk-1; na
przełomie meta- i anafazy cyklinę opłaszcza ubikwityna, taka cyklina niezwykle
Å‚atwo ulega proteolizie.
Aktualnie podkreśla się, że takie dwuskładnikowe kompleksy występują
w komórkach przede wszystkim nowotworowych natomiast w komórkach pra-
widłowych występują kompleksy czteroskładnikowe.
Kompleks cykliny B i kinazy cdk2 w jajniku działa jako tzw. MPF (matura-
tion promoting factor) i powoduje, że owocyt I rz. owocyt II rz.
syntetyzuje
Cyklina B
siÄ™
P
Cyklina B
Cyklina B
P
rozpada siÄ™
rozpada siÄ™
Cyklina B
Cyklina B Cyklina B
cdk2
cdk2 cdk2 cdk2 cdk2
aktywny MPF nieaktywny MPF poczÄ…tek aktywny nieaktywny
aktywacji
M G1 S G2 M G1
Ryc. 32. Kontrola cyklu komórkowego w oogenezie przy udziale MPF.
Inhibitory kinaz  znamy 2 rodziny:
a. białka p16, 18, 19
są to białka antyproliferacyjne
b. białka p21, 27, 57
Proces różnicowania 41
5. PROCES RÓŻNICOWANIA
Jednym z podstawowych problemów biologii rozwoju jest wyjaśnienie me-
chanizmów, które powodują, że z pojedynczej komórki  zygoty, powstaje
skomplikowany organizm, złożony z wyspecjalizowanych komórek, tkanek,
narządów, funkcjonujących według odziedziczonego planu.
Zapłodniona komórka jajowa (zygota) jest totipotencjalna co oznacza, że
w ramach określonego gatunku  ma nieograniczone możliwości rozwoju  da-
jąc początek wszystkim komórkom organizmu, a przecież każda komórka
o czym pierwszy wspomniał Virchow, rozwija się przez podział tej pierwszej.
Dopiero w trakcie kolejnych podziałów wyodrębniają się grupy komórek,
z których powstają listki zarodkowe, narządy pierwotne a potem w procesie hi-
stogenezy tkanki o specyficznych właściwościach (nabłonkowa, łączne, mię-
śniowe, nerwowa), a z tych w organogenezie różnicują się narządy i układy.
Zjawisko powyższe nosi nazwę różnicowania.
Zjawisko powyższe nosi nazwę różnicowania.
Przebiega ono na różnych poziomach organizacyjnych i dotyczy:
1. różnicowania morfologicznego  zmiany kształtu komórki,
2. różnicowania biochemicznego  zmiany ciągu przemian metabolicz-
nych,
3. różnicowania czynnościowego  zmiany funkcji.
Etapy różnicowania
Zespół procesów prowadzących do powstania wyraz
nie odmiennych części
organizmu nazywamy morfogenezÄ…. Proces ten obejmuje dwa odmienne etapy:
a) różnicowanie komórkowe  kiedy to z prostej, prekursorowej komórki
rozwija się różny rodzaj komórek bez zmian ilościowych w genomie;
rozpoczyna siÄ™ ten etap w okresie gastrulacji i trwa nadal w procesie
różnicowania tkanek i narządów;
b) organizacja tkankowa  polega na zespoleniu różnych typów komórek
w celu wytworzenia tkanek (histogeneza) i narządów (organogeneza).
Proces różnicowania zachodzi już w czasie bruzdkowania:
syncytiotrofoblast
trofoblast
blastocysta cytotrofoblast
embrioblast
W drugim tygodniu rozwoju, proces różnicowania jest już bardzo ewidentny.
42 Krystyna Kozłowska
W warunkach prawidłowych proces ten przebiega z zachowaniem dwóch za-
sad  kanonów różnicowania.
1. Proces różnicowania przebiega bez utraty DNA (komórka różnicująca
się nie traci informacji genetycznej) a w nielicznych przypadkach ilość
DNA może się zwiększyć (u zwierząt niższych występują dodatkowe
cykle replikacyjne i amplifikacja DNA), ale o tym wiemy dopiero od lat
50-tych XX wieku. Pierwszy znaczÄ…cy badacz tego procesu Weismann
twierdził, np. że różnicowanie to stała utrata genów, która rozpoczyna
się wraz z pierwszym podziałem gdzie jedna komórka potomna zawiera
informacje dla prawej części a druga dla lewej części ciała.
Zróżnicowanie komórek nie wynika zatem ze zmian w zawartości materiału
genetycznego tylko z selektywnej (wybiórczej) ekspresji genów. Stwierdzono
przy tym, że 80% genów jest represorowana, a tylko 20% ulega ekspresji w trak-
cie różnicowania.
W każdym typie komórek ekspresji ulega oczywiście inna część genomu.
2. W warunkach prawidłowych proces różnicowania jest procesem nieod-
wracalnym, co oznacza, że z komórki niezróżnicowanej powstaje ko-
mórka zróżnicowana a nigdy odwrotnie! np. z komórek mezodermy
powstaną komórki tłuszczowe, komórki kości ale komórki tłuszczowe
nigdy nie przekształcą się w komórki mezodermy.
Tylko z komórki o prostej strukturze i nieokreślonej funkcji może powstać
komórka o złożonej strukturze morfologicznej i biochemicznej oraz wyspecjali-
zowanej funkcji.
Samorzutnie zachodzący proces odwrotny  proces odróżnicowania obser-
wowany jest w stanach chorobowych i jest patologiÄ….
Jednakże wykonane w ostatnich latach eksperymenty dotyczące klonowania
zwierząt wydają się podważać ten dogmat  okazuje się, że jądro komórkowe
i genom komórek zróżnicowanych wykazują taką plastyczność, iż w momencie
kiedy dopasujemy cykle komórkowe można otrzymać i z komórek zróżnicowa-
nych  totipotencjalne zarodki.
Zatem, według aktualnego stanu wiedzy ostrożnie należy przyjmować, że
zróżnicowanie komórek nie jest do końca nieodwracalne; genom zróżnicowanej
komórki można przeprogramować tak, że może on znowu odzyskać totipotencję
ale nie dzieje siÄ™ to spontanicznie, bez szeregu zaprogramowanych laboratoryjnie
reakcji induktorowych.
Komórka musi być w fazie cyklu G1 lub G0  gdyż przy klonowaniu można
było tylko wtedy przeprogramować genom tak, by zróżnicowanym komórkom
przywrócić totipotencję.
Proces różnicowania 43
Na tych obserwacjach opierają się także nadzieje, że komórki macierzyste
będzie można przekształcić w dowolne tkanki i narządy.
Skąd komórka  wie jaką część genomu uruchamiać, aby w procesie różni-
cowania powstały określone substancje, funkcje charakterystyczne dla danej
komórki  jak dotąd  jest tajemnicą!
Przypuszcza się, że te ulegające ekspresji geny (20%) to onkogeny; dowo-
dem na to są obserwacje, iż w embriogenezie wybitnie zwiększa się  ekspresja
onkogenów; w życiu pozapłodowym obserwuje się także wzrost ekspresji onko-
genów np. w różnicujących się komórkach krwi.
Różnicowanie a cykl komórkowy
Z macierzystej komórki niezróżnicowanej, w kolejnym podziale może po-
wstać przynajmniej jedna lub dwie zróżnicowane komórki potomne. Widać
więc, że proces różnicowania jest w jakiś sposób związany z podziałem komó-
rek.
Wielu badaczy stawia sobie pytanie jaka jest rola cyklu komórkowego w ini-
cjowaniu genetycznych decyzji, które zmienią niezróżnicowaną jeszcze genera-
cję komórek prekursorowych w póz
niejsze bardziej dojrzałe generacje.
Cykle komórkowe mają dwojaką rolę:
a) mogą przyczyniać się do tego, aby powstały dwie potomne komórki
z tymi samymi szlakami syntetycznymi jak komórka macierzysta lub
b) mogą przyczyniać się do powstania jednej lub dwu komórek ze szlakami
syntetycznymi bardzo różniącymi się od tych, które są aktywne w ko-
mórkach macierzystych.
Wynika z tego, że istnieją dwa rodzaje cykli komórkowych:
a) cykle, w wyniku których przynajmniej jedna komórka potomna różni się
od komórki macierzystej; w tego typu komórkach odbywa się jak gdyby
przeniesienie komórek z jednego przedziału do drugiego
b) cykle, w których komórki potomne są takie jak macierzyste; ten rodzaj
cykli odpowiedzialny jest jedynie za wzrost liczby podobnych komórek.
komórka
niezróżnicowana
komórka komórki
macierzysta potomne
komórka
zróżnicowana
Ryc. 33. Związek procesu różnicowania z podziałem komórek.
44 Krystyna Kozłowska
W zygocie geny są jeszcze nieczynne transkrypcyjnie, a synteza białek od-
bywa siÄ™ na matrycy m-RNA zsyntetyzowanych w organizmie matki.
Wśród białek zdeponowanych w zygocie, znajdują się induktory lub represo-
ry, które będą uruchamiać aktywność własnych genów lub geny supresjonować
(hamować ich aktywność). Poszczególne geny są włączane w różnych stadiach
rozwoju, w zależności od rodzaju tkanki.
U człowieka, już w stadium 2 blastomerów rozpoczyna się transkrypcja wła-
snych genów zarodka ale aż do 8 blastomerów w każdym blastomerze są tran-
skrybowane takie same geny, bo jeśli się blastomery rozdzieli  to z każdego
rozwinąć się może normalny zarodek.
W stadium 8 komórek  zarodek jest już zróżnicowany, po ich podziale po-
wstają dwie grupy komórek: komórki graniczące ze środowiskiem  tworzą stro-
nę zewnętrzną, komórki kontaktujące się z innymi blastomerami  utworzą stro-
nę wewnętrzną.
Już w tym stadium kontakt wzajemny komórek między sobą wynikający
z pojawienia się na ich powierzchni  antygenów różnicowania (CD), które są
molekułami adhezji jest elementem indukującym ekspresję genów.
Stwierdzono, że u ssaków kontakt między blastomerami decyduje o powsta-
niu różnic między komórkami, a ich wzajemne oddziaływanie ukierunkuje ich
determinowany genetycznie, dalszy rozwój w kierunku: trofoblastu lub embrio-
blastu.
Molekuły adhezji 45
6. MOLEKUA
Y ADHEZJI
Chemicznie substancje te należą do grupy glikoprotein.
Zlokalizowane sÄ… dwojako:
1. wbudowane w płaszczyznę błony plazmatycznej są  receptorami;
2. znajdujące się w przestrzeni m/komórkowej  pełnią rolę  ligandów.
ad. 1. znamy 4 grupy:
1. integryny (1982),
2. selektyny (1982),
2.
3. kadheryny (1981),
(1981),
4. lektyny (1986).
ad. 2.:
1. fibronektyna,
2. witronektyna,
3. trombospondyna,
4. laminina,
5. kolageny.
Połączenie molekuły adhezyjnej będącej receptorem błonowym z molekułą
adhezji obecną w przestrzeni międzykomórkowej, czyli ligandem spowoduje:
1. silne powiązanie z podłożem:
błona
plazmatyczna
receptor
błonowy
Ryc. 34. Połączenie molekuły błonowej z podłożem.
46 Krystyna Kozłowska
2. w trakcie tworzenia narządów i tkanek zmiany kształtu komórek  połą-
czenie z cytoszkieletem:
środowisko np. fibronektyna
zewnętrzne
- błona komórkowa
²
Ä…
integryna
wnętrze
komórki
talina
winkulina elementy
Ä…-aktynina
tworzÄ…ce -
aktyna
cytoszkielet
mikrotubule
Ryc. 35. Połączenie między integryną a elementami cytoszkieletu.
Kadheryny i integryny uczestniczÄ… w ruchach morfogenetycznych, ale do te-
go w przestrzeni międzykomórkowej niezbędna też jest fibronektyna, witro-
nektyna, laminina.
3. przekazywanie sygnałów do komórek wywołując ich wzrost i różnico-
wanie:
Aktywacja
enzymów
SYGNAA

cytoplazma
regulacja ekspresji genów
integryna
regulacja kontroli
wzrostu
²
Ä…
błona
ligand
plazmatyczna
Ryc. 36. Udział molekuł adhezji w przekazywaniu sygnałów.
Molekuły adhezji 47
4. tworząc połączenia między elementami substancji międzykomórkowej
i elementami cytoszkieletu warunkują w komórkach prawidłowych
utrzymywanie stałego ich kształtu, jak również tworzą odpowiednio sil-
ne związki z podłożem, uniemożliwiając komórkom dowolny, przy-
padkowy ruch.
W życiu zarodkowym bardzo ważna rolę, w wielu przypadkach udowod-
nioną, pełnią kadheryny (znamy już ich ponad 20).
Już w stadium 8  16 blastomerów pojawiająca się na ich powierzchni
E-kadheryna powoduje ciasne przyleganie ich do siebie, co umożliwia ułożenie
się komórek na obwodzie, utworzenie w środku wolnej przestrzeni (jamy)
i powstanie blastocysty.
Na powierzchni ludzkich zarodków przedimplantacyjnych pojawiają się
oprócz E-kadheryny także integryny i selektyny.
Pojawienie siÄ™: N-kadheryny
warunkuje różnicowanie komórek w kierunku neuroektodermy
F-kadheryny
C-kadheryny warunkuje wydłużanie się tkanek i narządów  np.
tworzenie naczyń, kanalików
W komórkach młodego organizmu albo w populacjach komórek różnicują-
cych się (np. kom. krwi  leukocytach), ważną rolę w procesie różnicowania
pełnią integryny, które nazywamy antygenami różnicowania (cluster and diffe-
rentiation) CD.
Również lektyny, najsłabiej poznane molekuły adhezji, o których wiadomo,
że są bardzo liczne zarówno w błonach jak i substancji m/komórkowej  uważa
się, że pełnią rolę w adhezji.
Lektyny mogą się wiązać z inną lektyną i tworzyć powiązanie lektyna  lek-
tyna lub też swoim obszarem wiążącym CRD (carbohydrate recognition domain
 obszar wiążący węglowodany) łączyć się z mannozą, która jest składową gli-
koprotein obecnych w glikokaliksie wszystkich komórek.
CRD
Ryc. 37. Schemat struktury lektyn i rozmieszczenie w nich grup CRD.
48 Krystyna Kozłowska
Transdyferencjacja  proces przeróżnicowania się komórek zachodzi
w embriogenezie, polega na przemianie fenotypu nabłonkowego na fibrobla-
styczny i wymaga połączenia się odpowiednich integryn z kolagenem typu I.
Proces ten odgrywa wielkÄ… rolÄ™ w embriogenezie twarzy.
Piętnowanie genomowe  imprinting genomu
Obecnie wiadomo, że rozwój i różnicowanie ssaków wymaga obecności ge-
nomu matki i ojca. Przez 100 lat dominowała idea Mendla stwierdzająca, że
gamety żeńska i męska są równoważne. Jednakże w latach 80-tych XX wieku
stało się jasne, że znaczenie ma fakt, czy gen jest odziedziczony od matki czy
ojca.
usuwano przedjądrze męskie
2 żeńskie  nie rozwijał się trofoblast
wprowadzano przedjądrze żeńskie
gdy były dwa przedjądrza męskie  nie rozwijał się embrioblast.
Wynika z tego, że genomy rodzicielskie nie są równowartościowe  są jakoś
naznaczone  zjawisko, w którym rodzic wyciska na genie własne, stosowne do
płci piętno, nazywamy genowym piętnowaniem  imprinting genomu.
Do prawidłowego rozwoju organizmu czasami konieczna jest wybiórcza
ekspresja tylko jednego z alleli  ojcowskiego lub matczynego. Piętno geno-
mowe polega na metylacji allelu, który nie będzie ulegać ekspresji.
Brak w rozwoju prawidłowego skomponowania genów o imprintingu mat-
czynym i ojcowskim powoduje śmierć zarodka. Imprinting genomu zachodzi
podczas gametogenezy. Modyfikacje DNA komórek płciowych danego osobnika
sÄ… zachowane w gametach i zygocie.
Wymazywanie imprintingu następuje dopiero podczas tworzenia komórek
płciowych potomstwa; ich komórki płciowe uzyskują imprint typowy dla danego
osobnika.
Wybrane przykłady ekspresji genów ojcowskich i matczynych
Efekt Piętno ojcowskie Piętno matczyne
1. Komórki macierzyste Proliferują Różnicują się
2. Ogólny wzrost organizmu Stymuluje Redukuje
3. Aktywność mózgu Podwzgórze Nowa kora
4. Ogólna reakcja Hiperkineza Hipokineza
Molekuły adhezji 49
Obecnie pogląd jest taki, że chociaż w genomie różne geny współpracują ze
sobą to również ze sobą konkurują.
Mówi się, że geny są samolubne. Geny z piętnowaniem ojcowskim wydają
się inicjować mechanizmy korzystne dla genów z piętnowaniem ojcowskim
a matczyne dla genów z piętnowaniem matczynym. Rodzaj wielu embriopatii
zależy od tego, czy mutacja występuje w obrębie genu ojcowskiego, czy mat-
czynego.
Geny różnicowania
Od 1991 roku stosunkowo dużo wiemy o genach różnicowania, ale u roba-
ków i owadów.
1. geny polarności  wyznaczają przedni i tylny biegun ciała;
2. geny segmentacji  wyznaczają poszczególne odcinki ciała (głowa, od-
włok itp.);
3. geny wyposażające każdą komórkę w zestaw informacji określających
lokalizację komórki wewnątrz zarodka.
U człowieka takich genów jeszcze nie wykryto, ale postuluje się, że podobną
funkcję pełnią geny HOX.
Geny homeotyczne  homeotic genes  geny HOX
Geny homeotyczne  posiadajÄ… obszar wysoce konserwatywny ewolucyjnie
(podobny u różnych gatunków) zwany homeoboxem; składa się on ze 183 nu-
kleotydów kodujących informacje o 61 aminokwasowym polipeptydzie. Ten
polipeptyd, czyli produkt homeoboxu posiada tzw. homeodomeny  obszary,
które wiążą się z DNA (czasem nawet wewnątrz własnego genu) i wobec tego
działają jako czynniki transkrypcyjne. A wiadomo, że do procesu różnicowania
niezbędne są czynniki transkrypcyjne, wchodzą one bowiem w skład kompleksu
transkrypcyjnego, który aktywuje enzym prowadzący proces transkrypcji.
transkrypcja
mRNA
gen
białko
homeobox
DNA
nowe cechy
różnicowanie
homeodomena -
obszar wiążący się z DNA
Ryc. 38. Schemat ilustrujący udział genu HOX w różnicowaniu.
50 Krystyna Kozłowska
Oprócz homeodomen, u człowieka poznano wiele innych czynników tran-
skrypcyjnych; najlepiej poznany jest palec cynkowy, bardzo dobrze dostosowany
do rozpoznania DNA.
DNA
A
wiÄ…zanie siÄ™
z DNA
His
Cys
struktura palca
B
cynkowego
His
Cys
Ryc. 39. Dopasowanie palca cynkowego do spirali DNA.
U człowieka poznano 38 genów z homeoboxami; geny poznane dotychczas
zlokalizowane są na 4 różnych chromosomach, poszczególne geny oznacza się
cyframi:
Hox A (Hox 1)  chromosom 7 np.: A1
Hox B (Hox 2)   17 B5
Hox C (Hox 3)   12 C9
Hox D (Hox 4)   2 D13
Ostatnie odkrycia biologii molekularnej wskazują, że geny homeotyczne są
ułożone wzdłuż chromosomów w takim porządku, który odpowiada topografii
ich ekspresji w ciele. Są to jednak obserwacje dotyczące zwierząt. U człowieka
wiadomo, że ekspresja genów Hox pojawia się w czasie rozwoju narządów
osiowych (kręgosłup, cewa nerwowa)  można zatem podejrzewać, że są to geny
polarności ale jasnej odpowiedzi jeszcze nie ma ze względu na moralne i prawne
ograniczenia prowadzenia badań na człowieku.
W procesie różnicowania jak już wspomniano, dużą rolę odgrywają antyge-
ny znajdujące się na powierzchni zwane antygenami różnicowania CD (cluster
and differentiation), niektóre z nich są jednocześnie molekułami adhezji i choć
ich rola na komórkach zarodka nie jest w pełni poznana to wiadomo, że biorą
udział w procesie różnicowania.
Śmierć komórki 51
7. ŚMIERĆ KOMÓRKI
Komórki w organizmie giną w wyniku:
1. działania czynników szkodliwych   w wypadku - taka śmierć zachodzi
na skutek martwicy  nekrozy (gr. necrosis  obumieranie);
2. naturalnej śmierci  gdy:  dożywają dni swoich  taki rodzaj śmierci
zachodzi na drodze apoptozy czyli śmierci zaprogramowanej, samobój-
czej (apoptosis  więdnięcie, opadanie płatków, liści).
To, że obumieranie komórek nie zawsze jest zjawiskiem szkodliwym
a nawet może być istotne dla prawidłowego rozwoju i funkcjonowania organi-
zmu  najwcześniej zorientowali się embriolodzy, bo już w pierwszej połowie
XX wieku zauważyli np. u ssaków, że w czasie formowania się kończyn, aby
powstały smukłe palce  muszą zginąć bez szkody dla rozwoju organizmu, ko-
mórki w przestrzeniach międzypalcowych.
Jednakże dopiero w 1972 roku z ogłoszonych badań wynikało, że nie tylko
podczas rozwoju, ale i w dojrzałym organizmie komórki giną, aby mógł on pra-
widłowo funkcjonować.
Apoptoza jest wykorzystywana przez organizm do kontrolowanej eliminacji
komórek na różnych etapach rozwoju osobniczego, stanowi to podstawę morfo-
genezy umożliwiając zanik bezużytecznych komórek i kształtowanie się np. ręki,
powstawanie światła w różnych odcinkach przewodu pokarmowego czy też
światła w przewodzie słuchowym.
Apoptoza pełni kluczowa rolę w rozwoju układu nerwowego eliminując
około 85% komórek nerwowych, które w rozwoju nie utworzyły połączeń
z innymi komórkami.
Apoptozie w rozwoju układu immunologicznego ulega także około 95% ty-
mocytów w czasie różnicowania się limfocytów T.
U zwierząt niższych apoptoza jest kluczowym elementem metamorfozy 
przekształcenia larwy w owada, kijanki w żabę.
Po zakończeniu procesów rozwojowych apoptoza również pełni rolę umoż-
liwiającą wymianę komórek we wszystkich tkankach. Apoptoza jest odpowie-
dzialna np. za hormonalnie uwarunkowane zmiany w cyklicznym obumieraniu
komórek błony śluzowej macicy, za zanik grasicy, prostaty. Codziennie ginie
około 1011 komórek.
52 Krystyna Kozłowska
Apoptoza pełni też rolę ochronną, powodując śmierć powstałych komórek
nowotworowych lub zainfekowanych wirusami.
Naturalny bowiem czas życia komórek w prawidłowych warunkach jest
zróżnicowany i charakterystyczny dla danego typu komórek np.:
1. owocyt po owulacji żyje 24 godz.
2. leukocyty neutrofile
kilka dni
monocyty
3. komórki nabłonka jelitowego
4. keratynocyty 28 dni
5. komórki nerwowe
6. odontoblasty
czas życia osobniczego
7. komórki siatkówki
8. komórki mięśnia poprz. prążkowanego
W populacjach komórkowych organizmu, częstotliwość podziałów komór-
kowych jest równoważona obumieraniem komórek, informacje o tym zakodo-
wane są w genomie, dlatego mówimy, że jest to śmierć zaprogramowana.
Równowaga ta jest zaburzona dopiero we wzroście nowotworowym gdzie
więcej komórek może powstawać niż obumiera.
W embriogenezie, w procesie fizjologicznego zaniku narządów (w starzeniu
się) a także w czasie różnicowania się komórek w dojrzałym organizmie jak np.:
przy powstawaniu komórek krwi, naskórka, tymocytów w grasicy, dochodzi do
śmierci naturalnej, zaprogramowanej, która jest niezbędna do prawidłowego
rozwoju czy funkcjonowania organizmu. Taki rodzaj naturalnej, zaprogramowa-
nej śmierci określamy jako APOPTOZ
.
Apoptoza u kręgowców odgrywa kluczową rolę w organogenezie, w tym,
w rozwoju układu immunologicznego. U dorosłych apoptoza przeciwdziała roz-
rostom klonów komórek autoreaktywnych czy nowotworowych, zapewnia też
selekcję i pozostanie komórek z najwłaściwszym repertuarem receptorów.
Komórki mogą też ginąć w inny, nie zaprogramowany sposób wywołany
przez czynniki szkodliwe:
a. chorobotwórcze;
b. toksyczne;
c. traumatyczne.
wówczas komórki giną tak jak powiedziano na drodze martwicy  nekrozy.
Śmierć komórki 53
Nekroza
pęcznieją organella
kondensacja
chromatyny
k. prawidłowa pęcznienie obrzęk
utrata ciągłości błony
Apoptoza
fragmentacja ciałka apoptotyczne
k. prawidłowa
obkurcza siÄ™
Ryc. 40. Porównanie apoptozy i nekrozy.
Zestawienie cech morfologicznych
nekrozy apoptozy
1. komórka ulega obrzękowi 1. komórka traci wodę (do 50%), obkurcza się
2. kondensacja chromatyny 2. chromatyna tworzy grudki
3. pęcznieją organella 3. organella nie zmieniają się
4. wakuolizacja cytoplazmy 4. jÄ…dro rozpada siÄ™ na fragmenty
5. utrata ciągłości bł. plazmatycznej 5. na błonie plazmatycznej tworzą się pęcherzyki
6. zawartość komórki wylewa się na zewn. 6. komórka rozpada się na fragmenty z utworzeniem
7. w otoczeniu rozwija się stan zapalny ciałek apoptycznych, które są fagocytowane
7. nie ma śladu po komórce, nie ma śladu zapalenia
Indukcja apoptozy i przebieg zdarzeń molekularnych w komórkach różnych
tkanek nie są identyczne ale, szczegółów jeszcze nie znamy.
Można jednak przyjąć, że apoptoza zawsze wymaga:
1. indukcji  wywołanej przez czynniki  zewnątrz- lub wewnątrzpochodne
2. ekspresji genów, których produkty są niezbędne do przebiegu tego pro-
cesu.
54 Krystyna Kozłowska
Mechanizm uruchamiania tego procesu u człowieka nie jest całkowicie po-
znany, ale wiemy jakie mogą być induktory apoptozy.
aktywacja pewnych antygenów i receptorów błonowych
zaburzenia cyklu uszkodzenie DNA
Sygnał
komórkowego
śmierci
szok termiczny
samobójczej
usunięcie czynników
promieniowanie X
wzrostowych
Aktywacja
proteaz
Apoptoza
Ryc. 41. Induktory apoptozy.
Natomiast wiedza dotycząca pkt. 2 pochodzi głównie z badań na zwierzę-
tach.
Wiadomo, że u zwierząt i człowieka są geny zwane  genami śmierci . Naj-
lepiej geny te poznane są u obleńców (robaki) są to geny ced-3 i ced-4.
W morfogenezie, zaprogramowanej śmierci ulegają tylko te komórki, w któ-
rych wystąpi ekspresja powyższych genów. U tych zwierząt poznano też gen
hamujÄ…cy apoptozÄ™, jest to gen ced-9.
U człowieka  geny śmierci są słabo poznane; ostatnio wykryto 2 geny
w limfocytach T związane z apoptozą: gen ALG-2 koduje białko wiążące Ca2+
i działa jak induktor apoptozy, gdyż podwyższając stężenie Ca2+ w komórkach
prowadzi do apoptozy (blokery kanałów wapniowych, związki chelatujące prze-
ciwdziałają apoptozie); taką rolę w limfocytach T pełni też gen ALG-3.
Genem ułatwiającym apoptozę jest też gen p53   gen drogi ku śmierci .
U człowieka gen p53 wiąże się z apoptozą:
1. apoptoza zachodzi w tych komórkach, które nie mogą naprawić DNA;
2. uszkodzenie DNA (mutacje) - zwiększa się ekspresja genu p53;
3. białko p53 hamując cykl komórkowy, stwarza możliwość naprawy
DNA, komórka dzieli się, nie umiera.
Śmierć komórki 55
Znamy też geny hamujące apoptozę, należą one do rodziny Bcl-2, kodują
białka bcl-2 (homolog białka ced-9).
Geny bcl-2 obecne w wielu komórkach ulegają ekspresji zarówno w życiu
prenatalnym jak i u organizmów dorosłych.
Składniki komórki zaangażowane w proces apoptozy
1. Białka z domeną śmierci (DD  death domain) wbudowane w błonę pla-
1.
z domeną śmierci (DD  death domain) wbudowane w błonę pla-
zmatyczną lub wiążące się z tymi wbudowanymi:
zmatyczną lub wiążące się z tymi wbudowanymi:
a. antygeny błonowe  glikoproteiny
a.
błonowe  glikoproteiny
Fas wykryty u zwierzÄ…t 1991 r.
APO-1 wykryty u ludzi 1993 r.
CD 95
CD 40 na limfocytach B
b. receptory błonowe  najlepiej poznany receptor dla TNF (cyto-
kina  tumor necrosis factor)  TNFR1
c. białka posiadające domenę śmierci ale niezwiązane z bł. plazma-
tycznÄ… tylko z Fas np. FADD lub z TNFR1  TRAD.
Fas (CD 95)
TNF R1 (receptor dla TNF)
TRADD
Niektóre czynniki wiążące się z białkami DD
FADD
Ryc. 42. Białka z domeną śmierci (DD).
2. Czynniki wiążące się z substancjami wymienionymi powyżej i tworzące
kompleks sygnałowy dla śmierci samobójczej.
3. Proteazy (enzymy rozkładające białka)  kaspazy.
56 Krystyna Kozłowska
I. podrodzina
II. podrodzina III. podrodzina
kaspaza 1
kaspaza 3 kaspaza 2
kaspaza 4
kaspaza 6 kaspaza 9
kaspaza 5
kaspaza 7 kaspaza 11
kaspaza 10
kaspaza 8
kaspaza 13
kaspaza 14
Regulatory tego procesu:
a. substancje hamujÄ…ce apoptozÄ™ 
białka Bcl-2,
SODD (silencer of death domain).
b. substancje promujące apoptozę  np. białka Bax
TNF-Ä…
Białka Bcl-2
HAMUJ

APOPTOZA
DD
WYWOA
UJ

SODD
(SILENCER DD)
Bax  wyciszacz białek DD
Ryc. 43. Regulatory apoptozy.
Regulatory apoptozy
HamujÄ… apoptozÄ™:
- Białka bcl-2  hamują białka p53, komórki mogą się dzielić, wbudo-
wane w błonę mitochondriów zapobiegają uwalnianiu cytochromu c,
- Białka SODD  blokują DD.
PobudzajÄ… apoptozÄ™:
Białka Bax, Bad, itp.  wbudowane w błonę mitochondriów, umożliwiają
uwalnianie cytochromu c.
Śmierć komórki 57
ligand
dla
TNF
Fas
Fas
CD 95
błona
plazmatyczna
DD DD
FADD TRADD 1
FADD
kompleks
sygnałowy
apoptozy
3
AKTYWACJA
KASPAZ
rozszczepienie
białek
5
komórkowych
Aktywacja
naprawa DNA
genu p53
2
podział komórki
uszkodzenie DNA
aktywacja enzymów
Cytochrom c
4
rozkładających kwasy
uwolniony
nukleinowe
jÄ…dro
komórkowe
A P O P T O Z A
Ryc. 44. Sekwencja wydarzeń w komórce ulegającej apoptozie.
58 Krystyna Kozłowska
Pro-
kaspaza-8
Pro-
Pro-
kaspaza-9
kaspaza-3
Kaspaza-9
Pro-
Kaspaza-8
kaspaza-9
Kaspaza-3
Kaspaza
apoptosom
efektorowa
Kaspaza-6
Kaspaza-7
Apoptoza
Apoptoza
Kaspaza-3
Ryc. 45. Przebieg apoptozy wywołanej przez czynnik wiążący się z receptorem
błonowym (wg T. Baudino, SIGMA-ALDRICH).
Informacje dotychczas podane o apoptozie są wiadomościami elementar-
nymi, w zestawieniu z aktualną wiedzą na ten temat; jednym z przykładów, jak
ta wiedza obecnie jest rozbudowana może być ryc. 45.
Z informacji tu zawartych należałoby zwrócić szczególną uwagę przynajm-
niej na strukturÄ™ tworzÄ…cÄ… siÄ™ podczas procesu apoptozy nazwanÄ… apoptosomem,
na składniki, z których jest utworzona i funkcję, którą pełni.
Telomery  Telomeraza
Telomery u człowieka to końce chromosomów zbudowanych z powtarzają-
cych się sekwencji: TTAGGG (na nici 3 ); liczba takich powtórzeń wynosi około
2000 i zmniejsza się wraz z podziałami komórek i wiekiem osobniczym.
W ciągu roku komórki człowieka tracą około 15 powtórzeń sekwencji telo-
merowej i u ludzi starszych sÄ… wyraz
nie krótsze.
Telomery zapewniają stabilność chromosomów oraz służą w rozpoznawaniu
chromosomów homologicznych w czasie podziałów. Po każdej replikacji (po
każdej fazie S) dochodzi do utraty krótkiej sekwencji telomerowej.
Telomery służą zatem jako zegar mitotyczny zapobiegający nieograniczo-
nym podziałom komórek somatycznych.
Śmierć komórki 59
Telomery traktowane są również jako molekularne zegary odmierzające
ilość podziałów  a zatem czas życia komórki.
Po określonej liczbie podziałów, długość telomerów spada poniżej pewnej
wartości krytycznej, wówczas szybko następuje śmierć komórki.
 Oszukać ten zegar molekularny może jedynie enzym telomeraza, która po-
trafi wydłużać telomery.
Telomeraza to enzym, który wiąże się do końca 3 telomerów i katalizuje
dodawanie krótkich odcinków bogatych w guaninę.
Enzym ten aktywny jest w okresie embrionalnym, w komórkach młodych,
dzielących się i różnicujących, a także w gametach i komórkach nowotworo-
wych.
60 Krystyna Kozłowska
8. ZAPA
ODNIENIE
Zapłodnienie jest serią procesów a nie jednym wydarzeniem i polega na ze-
spoleniu gamet żeńskiej i męskiej, w wyniku czego powstaje komórka zwana
zygotą, która jest materiałem do rozwoju nowego osobnika, zawierającego
wszystkie cechy przekazane przez komórki rodzicielskie.
błona plazmatyczna z
akrosom osłonką glikoproteinową
główka
jÄ…dro
szyjka
mitochondria
włókno osiowe 
wstawka
aksonema
witka
Ryc. 46. Gameta męska.
osłonka przejrzysta (zona
pellucida) zbudowana z
glikoprotein
błona plazmatyczna
cytoplazma
jądro komórkowe
ziarna korowe
komórki ziarniste tworzące
komórki ziarniste tzw.
wieniec promienisty (corona
wieniec promienisty (corona
radiata)
radiata)
Ryc. 47. Gameta żeńska.
Zapłodnienie 61
Osłonka przejrzysta komórki jajowej:
1. działa jako bariera pozwalająca tylko plemnikom tego samego gatunku
związać się z komórką jajową i do niej wejść;
2. po zapłodnieniu zapobiega polispermii;
3. zapobiega przedwczesnej implantacji.
Zapłodnienie jest specyficzne gatunkowo, co oznacza, że plemniki jednego
gatunku nie mogą się zespolić z komórką jajową innego gatunku. Istota mole-
kularna tego zjawiska w pełni nie jest poznana, choć wiadomo, iż dużą rolę od-
grywają glikoproteiny osłonki przezroczystej, które są specyficzne gatunkowo
i Å‚Ä…czÄ… siÄ™ z ligandami obecnymi na powierzchni plemnika.
Poznano już 3 takie glikoproteiny, które oznaczono:
ZP1  m. cz. 200.000
ZP2  m. cz. 120.000
ZP3  m. cz. 83.000
Receptor
komórki jajowej
nie połączą się !
ligand
plemnika
Ryc. 48. Specyfika Å‚Ä…czenia siÄ™ receptora z liganiem.
ZP-1, ZP-2, ZP-3 u każdego gatunku mogą być inne i na tym m. in. może
polegać specyfika gatunkowa procesu zapłodnienia.
Jak już powiedziano zapłodnienie jest procesem wieloetapowym. Plemnik,
aby połączyć się z komórką jajową  musi przebyć długą drogę  z pochwy do
jamy macicy, a potem do cieśni jajowodu w kierunku jego bańki. Długość tej
drogi wynosi około 18 cm, a czas wędrówki plemnika u ludzi wynosi 2  8 go-
dzin, natomiast szybkość wędrówki jest większa niż wynikałoby to z ruchów
własnych plemnika (śr. 100 mm/sek), gdyż w ich przemieszczaniu się pomagają
skurcze mięśni gładkich macicy i jajowodów.
62 Krystyna Kozłowska
Plemniki typu Y (żyjące krócej) zachowują zdolność do zapłodnienia ko-
mórki jajowej przez 12  24 godz.; plemniki X (żyjące dłużej) wykazują tę zdol-
ność przez 48  72 godz.
Miejscem zapłodnienia jest najczęściej najszersza część bańki jajowodu lub
1/3 dalszej części jajowodu.
Kwaśny odczyn (pH) w pochwie nie jest dobry dla plemników natomiast
śluz wydzielany przez gruczoły szyjki macicy ma odczyn zasadowy, a to ułatwia
ruch plemnikom.
Owocyt nie zapłodniony obumiera po 24 h.
Z 200  300 mln plemników znajdujących się w pochwie  do bańki jajo-
wodu dotrze tylko kilka tysięcy, do komórki jajowej dotrze 300  500, ale wnik-
nąć może tylko 1!
Droga, którą przebywa plemnik nie jest bezsensowną wędrówką, ma ona
ważny biologiczny sens. Plemniki, które wniknęły do dróg rodnych kobiety nie
są bowiem zdolne do zapłodnienia komórki jajowej. Dopiero w trakcie drogi,
którą przebywają, plemniki uzyskują zdolność zapłodnienia gamety żeńskiej.
To uzdolnienie (uzdatnienie), które nabywają plemniki, czyli kapacytacja
(capacitation) jest procesem trwającym około 7 godz. Polega ona na wielorakich
zmianach molekularnych w błonie plazmatycznej plemnika prowadzących do
uzdatnienia ich do przejścia przez wieniec promienisty i połączenie się z recepto-
rami komórki jajowej. Po zakończeniu kapacytacji następuje hiperaktywacja
ruchowa i metaboliczna plemników. A poza tym obecne w bł. plazmatycznej
plemnika białko PH 20 o aktywności hialuronidazy, umożliwia gamecie męskiej
przejście przez warstwę komórek ziarnistych otaczających komórkę jajową.
komórka jajowa jądro
komórki ziarniste
cytoplazma plemnika
osłonka
przejrzysta 1 2
3
4
1
2 3
4
Ryc. 49. Etapy wnikania plemnika do komórki jajowej (wg K. Moore).
Zapłodnienie 63
Zakończenie kapacytacji umożliwia zajście dalszych zmian, które w efekcie
pozwolą plemnikowi przejść przez osłonkę przejrzystą i wejść do komórki jajo-
wej.
Reakcja receptorowa  najpierw konieczne jest powiÄ…zanie plemnika
z osłonką przejrzystą. Reakcja receptorowa, wymaga połączeń wielu receptorów
z ligandami.
Na powierzchni komórki jajowej występują specyficzne receptory - wspo-
mniane już  glikoproteiny ZP1-3 dla ligandów na plemnikach.
ZP3 glikoproteiny osłonki przejrzystej łączą się z:
1. lektynÄ… obecnÄ… na powierzchni plemnika
ważniejsze ligandy
2. białkiem ZRK m. cz. 95 kDa o aktywności kinazy
na powierzchni plemnika
3. białkiem  spermadhezyną (12  16 kDa)
glikoproteiny ZP 1-3
osłonka przejrzysta komórki
jajowej
enzymy akrosomalne
ligandy dla glikopretein osłonki
na powierzchni plemnika
filamenty aktynowe
Ryc. 50. Reakcja receptorowa
Zakończenie reakcji receptorowej umożliwia wystąpienie dalszego etapu za-
płodnienia, czyli reakcji akrosomalnej. Glikoproteina ZP3 indukuje tę reakcję.
Ziarna akrosomalne ulegajÄ… egzocytozie, w wyniku czego uwalniane sÄ… en-
zymy umożliwiające częściową degradację osłonki przejrzystej.
Obecnie uważa się, że najważniejszym enzymem inicjującym penetrację
plemnika przez osłonkę jest akrozyna (proteaza serynowa) poza tym w reakcji
tej uczestniczą inne różnorodne enzymy akrosomalne, jak np. inne proteazy
i neuraminidaza.
64 Krystyna Kozłowska
cytoplazma komórki
jajowej jÄ…dro plemnika
pęcherzyk
enzymy akrosomalne
włókna
wyrostek
akrosomalny
filamenty 
- proteazy akrosomalny
pośrednie
- neuraminidaza
osłonka
(aktynowe)
- akrozyna
przezroczysta
Ryc. 51. Reakcja akrosomalna.
Następny etap zapłodnienia to: fuzja komórki jajowej z plemnikiem.
Proces zapłodnienia wiąże się z ekspresją na gametach różnych molekuł ad-
hezji oraz ich wzajemnym oddziaływaniem, np.: integryny komórki jajowej są
receptorem dla fertyliny (dezintegryna) obecnej na powierzchni plemnika; do-
piero połączenie tych molekuł adhezji umożliwia fuzję dwóch gamet: plemnika
i komórki jajowej.
Wówczas dochodzi do aktywacji oocytu:
1. oocyt ulega aktywacji dzięki białku obecnemu w błonie plemnika 
2+
oscylinie, które powoduje wzrost stężenia Ca w cytoplazmie oocytu,
2. poziom MPF spada w ciągu dwóch godz. do 20%, oocyt kończy II po-
dział mejotyczny, wydalone zostaje drugie ciałko kierunkowe z kom-
plementarnym zestawem chromosomów,
3. odtwarza siÄ™ otoczka jÄ…drowa i wtedy jÄ…dro oocytu staje siÄ™ przedjÄ…-
drzem żeńskim z haploidalną liczba chromosomów
Wyżej wymienione wydarzenia trwają od 1  6 godz.
Natomiast wszystkie części plemnika po wejściu do komórki jajowej poza
jądrem komórkowym są degradowane.
Na tym etapie w komórce jajowej znajdują się 2 jądra komórkowe:
Zapłodnienie 65
jedno nazwano: przedjądrze żeńskie
każde z haploidalną liczbą
chromosomów
drugie nazwano: przedjądrze męskie
Taka komórka nazywa się zygotą.
Standardowe opisy implikują, że po zapłodnieniu 2 przedjądrza łączą się,
żeby powstała zygota, która zawiera diploidalną liczbę chromosomów.
Obecnie już wiemy, że do takiego spotkania (kariogamii) nigdy nie docho-
dzi.
Po zapłodnieniu przedjądrza żeńskie i męskie znajdują się w zygocie obok
siebie i kopiujÄ… swoje chromosomy (replikacja DNA) wchodzÄ…c w fazÄ™ S, ale
faza S przebiega w każdym z nich we właściwym dla niego tempie.
Po replikacji mamy zatem 2 przedjądrza, każde z diploidalną ilością DNA;
powstają także chromosomy, otoczki jądrowe rozpadają się, tworzy się wrze-
ciono kariokinetyczne i są 2 zestawy chromosomów z dwóch przedjądrzy.
Tak więc, w zygocie, żeński i męski genom pozostają odrębne do chwili
pierwszego podziału. W metafazie chromosomy z dwóch przedjądrzy ustawiają
się w płaszczyz
nie równikowej i dopiero w tym momencie materiał genetyczny
obojga rodziców miesza się ze sobą. Potem, chromosomy się rozdzielają, wę-
drują do biegunów komórki i każdy ich zestaw otrzymuje otoczkę jądrową; zy-
gota dzieli się na 2 komórki  blastomery i dopiero te posiadają materiał gene-
tyczny obojga rodziców.
W świetle powyższego  zygota nie jest więc jeszcze nowym osobnikiem.
Sekwencja wydarzeń w procesie zapłodnienia:
1. kapacytacja i przejście przez wieniec promienisty;
2. reakcja receptorowa;
3. reakcja akrosomalna;
4. fuzja błony komórki jajowej z błoną plemnika;
5. aktywacja oocytu, zakończenie II podziału mejotycznego, mieszanie się
materiału genetycznego obydwu gamet.
W czasie powstawania pierwszych blastomerów następuje rozpad otoczki
jądrowej przedjądrzy i w metafazie gdy dojdzie do wymieszania materiału ge-
netycznego obojga rodziców  kończy się zapłodnienie i rozpoczyna się nowy
etap rozwoju  bruzdkowanie.
66 Krystyna Kozłowska
Blok przeciw polispermii
U człowieka zapłodnienie jest procesem monospermicznym:
2+
1. pod wpływem wzrostu stężenia Ca rozpoczyna się tzw. reakcja ko-
rowa, uniemożliwiająca innym plemnikom wniknięcie do komórki jajo-
wej (polispermia); z pęcherzyków korowych komórki jajowej, na jej
powierzchnię wydzielane są silnie kwaśne hydrolazy, pod wpływem któ-
rych glikoproteiny siarczanowe osłonki ulegają polimeryzacji i tworzą
niemal krystaliczną błonę zwaną błoną zapłodnienia; zawartość ziaren
korowych dyfundując do otoczki przezroczystej hydrolizuje też ZP3.
2. między osłonką przezroczystą a błoną plazmatyczną komórki jajowej
tworzy się przestrzeń okołożółtkowa  to jest druga bariera dla plemni-
ka, który przypadkowo zdołałby pokonać barierę pierwszą, gdyż tam są
też obecne enzymy z ziaren korowych.
Te wydarzenia trwajÄ… od 1  6 godzin.
Proces zapłodnienia
Sekwencja wydarzeń Udział molekuł
Efekt biologiczny
w procesie zapłodnienia powierzchniowych
1. Kapacytacja Plemnik  białko PH 20 Przejście przez warstwę ziarnistą
(7 godzin) hialuronidaza otaczającą komórkę jajową
Komórka jajowa: glikoproteiny
2. ZP3
Plemnik:
Reakcja Indukcja reakcji akrosomalnej
1. lektyna
receptorowa
ligandy
2. białko ZRK  kinaza
{
3. spermadheryna
Wydzielane przez plemnik prote-
azy i neuramidaza degradujÄ…
Reakcja
osłonkę przezroczystą umożliwia-
akrosomalna
3. jąc zetknięcie molekuł adhezji
komórki jajowej z molekułami
plemnika i fuzję tych komórek
4. Integryna komórki jajowej 
Fuzja komórki jajowej
receptor. Fuzja gamet
z plemnikiem
Fertylina plemnik  ligand
Wzrost Ca2+ w cytoplazmie oocytu,
obniżenie poziomu MPF, dokoń-
czenie II podziału mejotycznego
5. Aktywacja oocytu Oscylina  plemnik powstanie przedjądrza żeńskiego 
(1  6 godzin) zygota.
Replikacja DNA w obydwu przed-
jądrzach, pierwszy podział  ko-
niec zapłodnienia
Zapłodnienie 67
Blok przeciw polispermii (1  6 godzin)
Sekwencja wydarzeń Udział molekuł
Efekt biologiczny
w procesie zapłodnienia powierzchniowych
1. Reakcja korowa (kwaśne hydrolazy) Polimeryzacja glikoprotein
siarczanowych
2. Błona zapłodnienia (kwaśne hydrolazy) Hydroliza ZP3