J" DRO KOM RKOWE W INTERFAZIE.
CYKL KOM RKOWY 2
Teoria komórkowa sformułowana przez Schleidena i Schwanna w 1839 roku, obowią-
zująca nadal, mówi, że wszystkie organizmy składają się z komórek. Natomiast Virchow
pierwszy sformułował twierdzenie, które potwierdziła współczesna biologia, że komór-
ka może powstać jedynie z innej komórki. Powstawanie komórek odbywa się drogą po-
działu, po którym występuje różnie długo trwający okres międzypodziałowy interfaza.
Powstawanie nowych komórek z uprzednio istniejących możliwe jest dzięki temu,
3
5
6
1
2
3
4
Ryc. 2.1. Jądro komórkowe.
1 otoczka jądrowa, 2 przestrzeń okołojądrowa, 3 cysterna RER, 4 polisom, 5 pory ją-
drowe, 6 jąderko, ( ) połączenia otoczki jądrowej z RER.
Rozdział 2
34
że każda komórka zdolna do podziału zawiera w sobie komplet informacji dotyczących
jej budowy i funkcji, czyli genom. W komórkach eukariotycznych, a więc posiadających
jądro, właśnie w nim zawarty jest materiał genetyczny DNA. Jądro komórkowe, w okre-
sie interfazy, ma postać pęcherzyka, którego zawartość oddzielona jest od cytoplazmy
przez otoczkę jądrową (ryc. 2.1).
2.1. OTOCZKA J" DROWA
Otoczka jądrowa (ryc. 2.2) powstaje z siateczki śródplazmatycznej w końcowym okre-
sie kariokinezy telofazie, jest więc odpowiednikiem cysterny ER, która pokrywa po-
CYTOPLAZMA
retikulum wewnątrz-
plazmatyczne (RER)
rybosom
kompleks
porowy
przestrzenie okołojądrowe
lamina
chromatyna
wnętrze jądra
Ryc. 2.2. Budowa otoczki jądrowej.
cytoplazma
pierścień
por jądrowy
cytoplazmatyczny
ziarno
środkowe
otoczka
jądrowa
lamina jądrowa chromatyna
Ryc. 2.3. Budowa kompleksu porowego.
Jądro komórkowe interfazalne
35
wierzchnię kuli, rozdzielając dwa przedziały komórkowe. Ścianę otoczki tworzą dwie
błony: zewnętrzna, zwrócona do cytoplazmy, zachowująca niekiedy ciągłość z RER, oraz
wewnętrzna, kontaktująca się z zawartością jądra. Pomiędzy nimi zawarta jest przestrzeń
okołojądrowa. W otoczce jądrowej zawarte są, zwykle dość liczne, otwory nazywane po-
rami. Na obwodzie poru po jądrowej i cytoplazmatycznej stronie znajduje się 8 ziare-
nek o śred. 10 25 nm, co nadaje porowi kształt oktogonalny. Są one połączone delikat-
nymi nitkami z ziarenkiem leżącym w centrum poru. Dostrzegano cienką przesłonę
diafragmę w poprzek poru.
Ze względu na złożoną budowę poru otoczki jądrowej wprowadzono termin kompleks
porowy. (ryc. 2.3)
Stwierdzono, że liczba porów jest zmienna i zależy od aktywności komórki; np. dość
aktywne komórki wątrobowe hepatocyty szczura zawierają 3x103 porów/jądro. Pory
odgrywają istotną rolę w wymianie pomiędzy jądrem i cytoplazmą. Z badań doświadczal-
nych wiadomo, że graniczną wielkością cząsteczek przechodzących przez pory jest 40
60 kDa, oraz, że przenikanie przez pory dużych cząsteczek jest procesem złożonym.
Eksportyny i importyny. Funkcjonowanie komórki wymaga stałej wymiany pomiędzy
wnętrzem jądra komórkowego nukleoplazmą a cytoplazmą. Z jądra do cytoplazmy
trafiają, syntetyzowane w jądrze, cząsteczki kwasów rybonukleinowych, zwykle w po-
staci rybonukleoproteidów. Natomiast z cytoplazmy do jądra transportowane są biał-
ka, syntetyzowane w macierzy cytoplazmy, pełniące różnorakie funkcje. Należą do nich
białka enzymatyczne uczestniczące w procesie transkrypcji, a w fazie S cyklu komór-
kowego również białka enzymatyczne uczestniczące w replikacji DNA oraz białka
histonowe. Z cytoplazmy do jądra przechodzą także białka regulujące funkcję geno-
mu komórkowego, nazywane czynnikami transkrypcyjnymi. Zrozumiałe, że przecho-
dzenie tych czynników do jądra musi odbywać się pod kontrolą, tylko wtedy gdy wy-
maga tego stan komórki. Stwierdzono, że w transporcie poprzez pory otoczki jądro-
wej uczestniczą specyficzne białka transportujące. Te z nich, które uczestniczą w trans-
porcie z jądra do cytoplazmy nazywane są eksportynami, a te, które biorą udział w
transporcie z cytoplazmy do jądra importynami. Wiązanie się białka transportujące-
go z cząsteczką podlegającą transportowi uwarunkowane jest obecnością, w cząsteczce
transportowanej, sekwencji bogatej w zasadowe reszty aminokwasowe. Określa się je
skrótem NLS (ang. Nuclear Localization Signals). Powstały kompleks: białko transpor-
tujące transportowane wiąże się następnie z białkiem kompleksu porowego a prze-
niknęcie przez ten kompleks wymaga ATP i GTP. Przynajmniej w odniesieniu do
importyn wiadomo, że składają one się z dwóch podjednostek: alfa i beta oraz, że z
białkiem transportowanym przenika do jądra jedynie podjednostka alfa, która w nu-
kleoplazmie oddziela się od cząsteczki białka transportowanego.
Obok przechodzenia przez pory mogą istnieć inne drogi wymiany pomiędzy jądrem
i cytoplazmą tj. transport aktywny oraz procesy analogiczne do endo- i egzocytozy. Wy-
miana ta jest tym większa im aktywniejsza jest komórka. Zwiększenie wymiany może
nastąpić przez zwiększenie liczby porów oraz przez zwiększenie powierzchni jądra. Od-
bywa się to przez wzrost średnicy jądra lub zmianę kształtu, co wiąże się ze wzrostem
powierzchni otoczki. Wzrost jej powierzchni odbywa się, jak stwierdzono, przez przesu-
Rozdział 2
36
wanie się błony zewnętrznej, poprzez pory, na stronę wewnętrzną otoczki. Wewnętrzna
błona otoczki jądrowej pokryta jest przez blaszkę włóknistą (lamina fibrosa) zwaną rów-
nież blaszką jądrową o grubości 80 300 nm. Białka tworzące tę blaszkę laminy, wią-
żą się z jednej strony z białkami integralnymi błony wewnętrznej otoczki oraz białkami
porów, a z drugiej strony z nićmi chromatyny. Białka blaszki odgrywają rolę w czasie
zanikania otoczki w metafazie oraz w jej odtwarzaniu w telofazie.
2.2. CHROMATYNA
Wnętrze jądra wypełnia nukleoplazma, w której zobaczyć można w MŚ i ME: chroma-
tynę oraz jąderko. Chromatyna to barwiąca się barwnikami zasadowymi zawartość jądra (gr.
chromatos = barwa). Jej rozmieszczenie w jądrze oraz intensywność barwienia jest charak-
terystyczna dla danego rodzaju komórek i wykorzystywana jest do ich identyfikacji. W rze-
czywistości chromatyna to kłębek utworzony przez nici chromosomów interfazalnych. W MŚ
nitki chromatyny (chromosomy) nie są widoczne, natomiast w ME chromatyna widoczna jest
jako gęstsze lub rzadsze skupienie drobnych ziarenek, które są przeciętymi nitkami chroma-
tyny. Rozróżniamy dwa stany upakowania, zagęszczenia chromatyny:
1) zagęszczoną, zbitą heterochromatynę;
2) rozrzedzoną, luzną euchromatynę.
Heterochromatyna tworzy intensywnie barwiące się skupienia (w MŚ), w pobliżu
otoczki oraz jąderka, w ME widać ją jako gęsto ułożone ziarenka. Przykładem hetero-
chromatyny jest tzw. chromatyna płciowa (ciałka Barra) ziarenko chromatyny widocz-
ne w jądrach komórek osobników żeńskich (jeden z chromosomów X). Heterochroma-
tyna może być konstytutywna lub fakultatywna. Heterochromatyna konstytutywna ujaw-
nia się we wczesnych okresach różnicowania się tkanek (w embriogenezie) i utrzymuje
się przez całe życie komórki, natomiast heterochromatyna fakultatywna może zmieniać
się w euchromatynę, gdy komórka ulegnie aktywacji. Wiąże się to z tym faktem, że he-
terochromatyna jest formą nieaktywną chromatyny, natomiast euchromatyna formą ak-
tywną, przy czym proces transkrypcji może w niej aktualnie zachodzić lub rozpocząć się
pod działaniem specyficznego sygnału (stan gotowości do aktywnego działania). W śred-
nio aktywnej komórce około 80% chromatyny to heterochromatyna a 20% to euchro-
matyna, a około 10% chromatyny jest aktualnie aktywna.
Zasadniczym składnikiem strukturalnym chromatyny jest nitka chromatynowa odpo-
wiadająca chromosomowi interfazalnemu, który zawiera jedną cząsteczkę DNA. Nitka
chromatyny to dezoksyrybonukleoproteid, kompleks DNA i białek, głównie histonów.
Ilość DNA w diploidalnym jądrze (46 chromosomów u człowieka) jest stała dla danego
gatunku. Stwierdzono, że DNA występuje w nadmiarze w stosunku do informacji jakie
zawiera. Nadmiar to głównie sekwencje powtarzające się, które jak wykazano nie ule-
gają odczytaniu transkrypcji. Kiedy DNA izolowane z komórki rozdzielane jest przez
wirowanie w gradiencie stężeń CsCl, to uzyskuje się warstwę głównego i dodatkowego
satelitarnego DNA. Właśnie w tej satelitarnej warstwie skupia się DNA o powtarzal-
nych sekwencjach. Z drugiej strony ten rodzaj DNA występuje głównie w heterochroma-
tynie.
Zasadniczymi białkami chromatyny są histony białka zasadowe, wykazujące wysoką za-
wartość dwóch zasadowych reszt aminokwasowych: lizyny i argininy, przez co ich ładunek
Jądro komórkowe interfazalne
37
netto jest dodatni. We wszystkich komórkach eukariotycznych wykazano obecność 5 ro-
dzjów histonów: H1, H2A, H2B, H3 i H4. Cechą niezwykłą tych białek jest ich ewolucyjny
konserwatyzm, bardzo odległe ewolucyjnie gatunki wykazują bardzo niewielkie różnice w
budowie, szczególnie dotyczy to histonów H3 i H4. Stosunek ilości histonów i DNA jest 1:1,
ilość histonów nie zmienia się, z wyjątkiem okresu syntezy, która sprzężona jest z syntezą
(replikacją) DNA. Cząstki histonów i DNA tworzą charakterystyczny wzajemny układ w
postaci nukleosomów. Aącząc się ze sobą nukleosomy dają obraz nitki chromatynowej (pod
dużym powiększeniem w ME) jako sznura paciorków.
Nukleosom to rdzeń utworzony przez oktamer histonów (po 2 cząstki H2A, H2B, H3,
H4), na który nawinięty jest DNA (2 pętle). Przestrzennie nukleosom to niski walec (śred.
11 nm, wysokość 5 7 nm) z nawiniętymi na obwodzie 2 pętlami DNA długości 140 par
zasad. Te walcowate struktury połączone są ze sobą tzw. łącznikiem długości 19 60 par
zasad. O ile DNA otaczający rdzeń ma stałą długość bez względu na gatunek, to łącznik
wykazuje zmienność. Z łącznikiem wiąże się histon H1. Jak wykazano, powstawanie
rdzenia nukleosomu odbywa się w wyniku oddziaływań między cząsteczkami histonów,
a ściśle między hydrofobowymi częściami ich łańcuchów polipeptydowych (ryc. 2.4).
H1 histon
H2A, H2B, H3 and
H4
centralne
DNA
6 nm
łącznikowe
DNA
10 nm
Ryc. 2.4. Budowa nukleosomu.
Tak więc nitka chromatyny to suma nukleosomów. Jednak jak stwierdzono podstawowa
nitka chromatyny, widziana w ME, ma średnicę ok. 30 nm (a nukleosom 10 nm). Badania
wyjaśniły tą sprzeczność. Okazało się, że nitka chromatyny nie jest wyciągniętym sznurem
nukleosomów, a zwiniętym w postaci solenoidu, o skręcie zawierającym 6 nukleosomów.
Warunkiem tworzenia się tej superstruktury jest obecność histonu H1 oraz jonów Mg. Jak
wykazano histony H1 warunkują również tworzenie się zagęszczeń chromatyny tak jak w
heterochromatynie. Obok histonów w chromatynie występują jeszcze inne białka określane
ogólnie jako niehistonowe . Ilość ich jest niekiedy zbliżona do ilości histonów, ale wykazu-
je znaczne różnice zależne od rodzaju tkanki i gatunku. Wśród białek niehistonowych istot-
ną rolę odgrywają białka określane angielskim skrótem HMG (high mobility group). Jak
wykazano białka HMG 14 i HMG 17 mogą wymieniać się z histonami H1 co powoduje roz-
luznienie chromatyny i prowadzi do jej aktywacji.
Rozdział 2
38
dwunicio- włókienko włókno zagęszczony chromosom
wy DNA chromatyny chromatyny rejon metafazalny
(solenoid) chromosomu
DNA
łącznikowy
nukleosom
rozciągnięty
rejon chromosomu
Ryc. 2.5. Struktura chromatyny. Różne stopnie upakowania chromatyny, od rozciągniętej nitki
chromatyny interfazalnej (włókienko) i włókna chromatyny interfazalnej (solenoid) do chroma-
tyny chromosomu metafazalnego.
Strukturami chromatyny tworzonymi przez nitki chromatyny, o średnicy 30 nm, są
domeny. Są to pętle o długości ok. 50 kilo zasad (kz) (zakres 30 300 kz), których końce
umieszczone są w szkielecie białkowym. Tworzą go metaloproteiny zawierające miedz i
kobalt. Za przestrzenną organizację DNA w jądrze interfazalnym, w tym domeny, od-
powiedzialna jest blaszka włóknista. Układ przestrzenny chromosomów interfazalnych,
a więc układ chromatyny jest wysoce regularny i w jądrach komórek tej samej tkanki
prawie identyczny. Układ ten utrzymywany jest przez oddziaływania międzychromoso-
mowe oraz blaszkę włóknistą.
Histony tworzące rdzeń nukleosomu wykazują, jak wspomniano, znaczny konserwatyzm,
stałość, jeśli chodzi o skład aminokwasowy, jednak mogą one ulegać tzw. modyfikacjom
postsyntetycznym. Polegają one na acetylacji, metylacji i fosforylacji reszt łańcucha polipep-
tydowego histonu, co wpływa na oddziaływania pomiędzy nim i DNA, głównie zmniejszając
siłę ich wzajemnego oddziaływania. Wiąże się to ze wzrostem aktywności transkrypcyjnej
zawartego w chromatynie DNA. Jak z tego wynika histony blokują aktywność DNA, pełnią-
więc rolę represora. Jak wcześniej powiedziano znaczna większość DNA jest w stanie nie-
aktywnym (~ 90%), jest to właśnie wynikiem blokującego działania histonów.
2.2.1. TRANSKRYPCJA DNA
Stan aktywny chromatyny to stan, w którym zachodzi proces odczytywania trans-
krypcji DNA, a wiąże się to z formą chromatyny rozproszonej. Jak zachowują się nukle-
osomy w aktywnej chromatynie do końca jeszcze nie wiadomo. Uzyskane dane wskazu-
ją, że być może odcinki nitki chromatyny na której odbywa się transkrypcja pozbawione
Jądro komórkowe interfazalne
39
są takich struktur jak nukleosomy. Inne dane sugerują, że nukleosomy są zachowane, ale
rozpadają się na połówki.
Aby mogła zachodzić transkrypcja potrzebny jest jednoniciowy wzorzec DNA, enzym
polimeraza RNA zależna od DNA, komplet 4 rodzajów nukleotydów oraz jony Mg lub Mn.
Polimeraza RNA u eukariotów występuje jako I, II i III. Pierwsza zaangażowana jest
w syntezę rRNA i związana jest z jąderkiem, II zaangażowana jest w syntezę mRNA na
obszarze całego jądra, oraz III podobnie zlokalizowana, ale bierze udział w syntezie 5Sx)
RNA i tRNA.
Transkrypcja przy udziale RNA polimerazy II, która uczestniczy w odczytywaniu ge-
nów kodujących białka komórkowe, rozpoczyna się od wiązania się tego enzymu z pro-
motorem genu. Promotor genu, u eukariota, zawiera sekwencję nukleotydów (TATAA
tymina adenina tymina adenina adenina), która jest rozpoznawana i wiązana przez
czynniki transkrypcyjne. Czynniki transkrypcyjne to białka o różnej budowie. Jedną
z grup tych białek stanowią białka zawierające tzw. palce cynkowe. Związane z łańcu-
chem polipeptydowym atomy cynku nadają mu konformację umożliwiającą wiązanie
się białka z specyficznymi sekwencjami DNA. Do białek będących czynnikami trans-
krypcynymi należą także białka będące produktami niektórych protoonkogenów. Zwią-
zanie się tych czynników z DNA jest konieczne aby RNA polimerazy mogła się z nim
związać i podjąć proces transkrypcji. W regulacji tego procesu, poza sekwencjami pro-
motorowymi, mogą odgrywać rolę również sekwencje zwane wzmacniającymi (ang.
enhancers), które podobnie jak sekwencje promotorowe wiążą czynniki transkrypcyj-
ne. Stwierdzono istnienie także sekwencji osłabiających transkrypcje (ang. silencers).
Bezpośrednim produktem procesu transkrypcji jest tzw. transkrypt, któremu odpo-
wiada heterogenny RNA (HnRNA). Ten produkt transkrypcji zawiera zarówno sekwen-
cje informacyjne jak i nieinformacyjne. Wynika to ze struktury genów stanowiących
matrycę dla syntezy RNA. Jak stwierdzono większość genów u eukariota to geny niecią-
głe zwane także mozaikowymi. Sekwencje informacyjne DNA tworzącego taki gen są
przedzielone sekwencjami nieinformacyjnymi, pierwsze noszą nazwę egzonów, drugie in-
tronów. Na terenie jądra HnRNA ulega transformacji, polega ona na: dołączeniu
7-metyloguanozyny do końca 5' ( czapeczka ), wiązaniu się białek z nowopowstałym
RNA, dołączeniu łańcucha poliadenylowego (około 200 reszt adenylowych) do końca
3', a przede wszystkim na wycięciu sekwencji nieinformacyjnych intronów. Proces wy-
cinanie intronów z HnRNA, w wyniku czego powstaje informacyjny RNA, nazywany jest
składaniem RNA (ang. splicing). W procesie tym uczestniczą cząsteczki snRNA (małe
jądrowe RNA), które wraz z białkami i odpowiednią sekwencją HnRNA tworzą kom-
pleks nazywany splisosomem. Jak stwierdzono efektem składania tego samego rodzaju
HnRNA może być różne mRNA gdyż wycinaniu podlegają nie zawsze te same sekwen-
cje. Nazywane jest to składaniem alternatywnym. Ostatecznie, powstałe w wyniku skła-
dania, mRNA opuszcza jądro w połączeniu z białkiem.
x)
S jednostka Svedberga określająca szybkość sedymentacji pod wpływem sił grawitacji wywo-
łanych w ultrawirówce. Wartość wyrażana w tych jednostkach zależna jest od masy cząsteczki oraz
jej rozmiaru i kształtu.
Rozdział 2
40
2.2.2. REGULACJA DZIAŁANIA GEN W PRZEZ RNA
Jak stwierdzono zarówno u pro- jak i eukariota RNA może wpływać na aktywność
genów. Krótkie RNA powstające przez działanie enzymów może bezpośrednio represo-
rować geny z homologią do tych krótkich RNA. Taka represja nazywana RNAi (RNA
interference) zakłócającego RNA może być realizowana przez hamowanie transla-
cji mRNA, niszczenie mRNA lub wyciszanie promotora, który kieruje tworzenie tego
RNA. Represje genu można także uzyskać wprowadzając do komórki dwuniciowy RNA
(dsRNA double stranded RNA), który zawiera sekwencje identyczne z sekwencją re-
presorowanego genu. Represja przez RNA odgrywa role w hamowaniu rozwoju niektó-
rych wirusów.
2.2.3. METYLACJA DNA MOE PROWADZI" DO TRWAŁEGO
WYCISZANIA GEN W
Niektóre geny mogą być w komórkach ssaków trwale wyciszone przez metylowanie
DNA. Dzieje się tak w wielu regionach genomu i są to zwykle rejony heterochromaty-
ny. Jest to spowodowane tym, że metylowane sekwencje są często rozpoznawane przez
białka wiążące DNA (MeCP2), które rekrutują deacetylazę histonów oraz metylazę hi-
stonów a przez to modyfikują okoliczną chromatynę zawierającą zmetylowany DNA.
Metylacja DNA ma zasadnicze znaczenie dla zjawiska nazywanego impryntingiem ge-
nomowym. Zjawisko to prowadzi do tego, że jeden z genów w parze chromosomów ho-
mologicznych (jeden do ojca a drugi od matki) jest wyłączony i ten stan utrzymuje się w
kolejnych podziałach komórki. Zaburzenia tego zjawiska mogą prowadzić do niektórych
chorób dziedzicznych a także do chorób nowotworowych.
2.3. J" DERKO
Specyficzną strukturą jądrową jest jąderko. W MŚ widoczne jako twór najczęściej
kolisty, otoczony zagęszczoną chromatyną, silnie barwiący się barwnikami zasadowymi.
W ME stwierdzono istnienie włókienkowego rdzenia i ziarnistej kory. Jąderko wykazu-
je znaczną zmienność co do wielkości, w zależności od aktywności komórki. Istnienie
jąderka jest wynikiem intensywnej syntezy, drogą transkrypcji, specyficznego rodzaju
RNA zwanego rybosomalnym (rRNA) na odcinku genomu określanym jako organiza-
tor jąderka, oraz przekształceń pre-RNA w sąsiedztwie miejsca powstania.
Organizator jąderka to fragment genomu zawierający powtarzające się sekwencje
kodujące cząsteczki 18S i 28S rRNA, podzielone intronami. Transkrypcja rRNA odby-
wa się przy udziale RNA polimerazy I, a jej produktem jest transkrypt w postaci wiel-
kocząsteczkowego prekursora pre rRNA 45S. Podlega on po transkrypcji przemianom
w 28S rRNA i 18S rRNA, które polegają na usuwaniu zbędnych sekwencji przy udziale
enzymów: endo- i egzonukleaz. Powstałe produkty to kompleksy RNA białko (RNP).
RNA 18S w powiązaniu z białkami tworzy małą podjednostkę rybosomu, a 28S dużą.
Jądro komórkowe interfazalne
41
Podjednostki opuszczają jądro niezależnie od siebie. Ostatecznie mała podjednostka,
u eukariotów, ma stałą sedymentacji 40S a duża 60S, łącznie jako rybosom 80S. Rybo-
som zawiera 65% rRNA (18S, 28S, 5S), reszta (35%) to białka (10 rodzajów w małej
i 20 w dużej podjednostce). Jego wymiary to 20 x 30 nm. Aączenie się podjednostek w
rybosom następuje z chwilą podjęcia syntezy białka, w czym biorą udział jony Mg, me-
tionylo tRNA i mRNA.
2.4. TRANSLACJA
Proces biosyntezy białka określany jako translacja, dzielony jest na fazę inicjacji,
elongacji i terminacji.
I. Inicjacja. Pierwsza faza translacji określana jako inicjacja rozpoczyna się od połą-
czenia mRNA z małą podjednostką rybosomu (40S). Wcześniej dochodzi do powstania
kompleksu: met tRNA GTP czynnik inicjacji (eIF 2), który łączy się z małą podjed-
nostką. Dopiero wtedy podjednostka 40S łączy się z pierwszym nukleotydem mRNA
jakim, u eukariota, jest 7 metylo guanozyna, nazywana kapturkiem (ang. cap) Następ-
nie mała podjednostka przesuwa się wzdłuż łańcucha mRNA aż napotka inicjujący ko-
don AUG. W tym momencie dołączona zostaje duża podjednostka 60S i faza inicjacji zo-
staje zakończona.
II. Elongacja. W tej fazie zostaje zapoczątkowana, a następnie jest kontynuowana
synteza łańcucha polipeptydowego. Najpierw met tRNA łączy się z kodonem AUG po-
przez zawarty w nim antykodon. Zachodzi to wewnątrz rybosomu w miejscu nazywanym
miejscem P. Następnie w miejsce A wnika aminoacylo tRNA (aa tRNA), zawierający
anty kodon zgodny z kodonem, który następuje po kodonie inicjującym AUG. Przy udzia-
le enzymu: transferazy peptydylowej, dochodzi do przeniesienia reszty metioninowej na
resztę kolejnego aminokwasu co prowadzi do powstania wiązania peptydowego pomię-
dzy grupą karboksylową metioniny a grupą aminową kolejnego aminokwasu. Wtedy
kompleks: tRNA reszta kolejnego aminokwasu metionina przesuwany jest do miejsca
P (translokacja), przez co kodon AUG mRNA wysuwa się z miejsca P a miejsce A zo-
staje zwolnione dla kolejnego aa tRNA. Proces ten polegający na: wiązaniu aa tRNA
z mRNA na zasadzie kodon antykodon, powstawaniu wiązania peptydowego oraz prze-
suwaniu się mRNA wraz z kompleksem tRNA powstający łańcuch polipeptydowy
z miejsca A do P powtarzany jest cyklicznie aż odczytana zostanie cała sekwencja infor-
macyjna mRNA. Energia potrzebna do przemieszczeń zachodzących w trakcie syntezy
polipetydu pochodzi z GTP. W procesie elongacji uczestniczą specyficzne białka nazy-
wane czynnikami elongacji (EF). Jeśli syntetyzowane biało jest białkiem sekrecyjnym a
więc przeznaczonym do wydzielenia poza komórkę lub białkiem, które zostanie wbudo-
wane w błonę jako jej białko integralne, to początek łańcucha polipetydowego tworzy
tzw. sekwencja sygnałowa. Cechuje ją wysoka zawartość hydrofobowych reszt aminokwa-
sowych, których obecność umożliwia przenikanie, lub wbudowywanie się łańcucha poli-
peptydowego do błony siteczki śródcytoplazmatycznej szorstkiej. Jeśli są to białka sekre-
cyjne ulegają one gromadzeniu w cysternach RER.
Rozdział 2
42
W translacji cząsteczki mRNA uczestniczy jednocześnie kilka lub kilkanaście rybo-
somów, zależnie od długości łańcucha mRNA, tworząc układ określany jako polisom.
Dzięki temu na pojedynczej cząsteczce mRNA powstaje jednocześnie, zgodnie z liczbą
rybosomów w polisomie, kilka lub kilkanaście łańcuchów polipeptydowych.
III. Terminacja. Zakończenie procesu biosyntezy białka czyli translacji, nazywane
terminacją, następuje wtedy gdy w trakcie przesuwania się mRNA przez rybosom, w
miejscu A znajdzie się kodon terminacji: UAA, UAG lub UGA. Są to kodony nonsen-
sowne gdyż nie istnieją tRNA z antykodonami, które by im odpowiadały. Natomiast,
rozpoznawne są one przez białka nazywane czynnikami terminacji (RF ang. release
factor). Dochodzi do uwolnienia nowopowstałego łańcucha polipeptydowego od tRNA
i rozpadu rybosomu na podjednostki.
Każdy z tych etapów translacji jest złożony i może być hamowany przez specyficzne inhibi-
tory, które zwykle działają różnie na komórki prokarityczne i eukariotyczne. Umożliwia to sto-
sowanie ich do hamowania rozwoju bakterii bez wpływania na komórki gospodarza. Dlatego
też inhibitory biosyntezy białka, z których wiele to antybiotyki, wykorzystywane są w terapii do
zwalczania infekcji bakteryjnych. Natomiast te, które hamują biosyntezę białka u eukariota mogą
być stosowane do hamowania rozwoju komórek nowotworowych (cytostatyki).
2.5. CYKL KOM RKOWY
Procesy transkrypcji, a następnie translacji podlegają w komórce mechanizmom re-
gulacyjnym, które decydują o ich zapoczątkowaniu, natężeniu i czasie trwania. Procesy
te, które zaangażowane są w przygotowanie do podziału komórki ułożone są w sekwen-
cję, którą nazywamy cyklem komórkowym. Cykl komórkowy, zwany także mitotycznym,
to cykl skomplikowanych procesów biochemicznych uzależnionych wzajemnie od siebie
oraz od czynników zewnętrznych, prowadzący do podziału komórki. W cyklu tym wyróż-
nia się następujące fazy: G1 (od ang. gap odstęp), S (synteza replikacja DNA), G2 oraz
M (mitoza). Mitozę od początku następnej fazy G1 może oddzielać, trwajaca różnie długo
faza G0. Okres życia komórki obejmujący fazy: G1(G0), S i G2 określa się jako interfazę
(ryc. 2.6). Regulacja cyklu komórkowego, odbywa się poprzez szereg procesów fosfory-
lacji i defosforylacji.
Fosforylacja białek komórkowych dokonywana jest przy udziale kinaz, które wraz z biał-
kami nazywanymi cyklinami tworzą kompleksy. Kinazy tworzą katalityczną część tego kom-
pleksu, podczas gdy cykliny jego część regulatorową, gdyż decydują o aktywności związanych
z nimi kinaz. Dlatego też kinazy określane są jako zależne od cyklin (ang. Cyklin Dependent
Kinases CDK). Stężenie CDK w komórce w czasie cyklu nie ulega większym zmianom, na-
tomiast zmienia się ich aktywność. Wiąże się to ze znacznymi wahaniami stężenia cyklin w
poszczególnych fazach cyklu (stąd ich nazwa). Znanych jest kilka rodzajów kinaz, tworzą-
cych rodzinę kinaz CDK. Oznacza się je cyframi. Podobnie, znanych jest kilka rodzajów cy-
klin, oznaczanych literami. Określone kompleksy CDK cyklina są charakterystyczne dla po-
szczególnych faz cyklu. Cykliny D tworzą kompleksy z CDK4 i CDK6, decydując o przejściu
z fazy G1 w fazę S. Cykliny E i A tworzą kompleksy z CDK2 decydując o inicjacji syntezy
Jądro komórkowe interfazalne
43
Profaza
(ą1 godz.)
G2+mitoza
S (8 godzin) (2,5 3 godz.)
Metafaza
(<1 godz.)
Mitoza
Anafaza
(<1/2 godz.)
G1 (25 godz.)
Telofaza
(minuty)
Interfaza Mitoza
Ryc. 2.6. Fazy cyklu komórkowego i czas ich trwania.
DNA we wczesnej fazie S. Cyklina B łączy się w kompleks z CDK2, decydujący o przejściu z
fazy G2 w fazę M (mitozę). Pierwszy kompleks CDK cykliny wykryty został w badaniach nad
zapłodnionymi oocytami żaby i nazwany czynnikiem MPF (ang. M phase Promoring Factor).
Pózniej okazało się, że jest to kompleks CDK2 cyklina B. Wysoki poziom MPF w komórce
prowadzi do zmian charakterystycznych dla profazy kariokinezy tj. kondensacja chromoso-
mów, zanik otoczki jądrowej oraz tworzenie wrzecionka. Natomiast spadek poziomu MPF
w anafazie przyczynia się do segregacji i dekondensacji chromosomów oraz do odtworzenia
otoczki jądrowej. Gwałtowny spadek MPF spowodowany jest, najpierw ubikwitynacją, a na-
stępnie degradacją przez proteasomy cykliny B. Znaczne zmiany stężenia, również innych
cyklin, spowodowane są ich degradacją przez proteasomy (patrz str. 49). W konsekwencji do-
chodzi do spadku aktywności związanych z nimi CDK.
Po dokonaniu się podziału komórka wchodzi w fazę G1 podejmując lub nie, przygo-
towania do następnego podziału. Komórki, które nie podejmują przygotowań do podziału,
czyli wejścia w następny cykl komórkowy określamy jako pozostające w fazie G0.
Przygotowania komórki do podziału rozpoczynają się od wzrostu jej masy i objęto-
ści. Wzrost ten trwa aż do ich podwojenia się bezpośrednio przed podziałem. Rozpoczęcie
się właściwych procesów związanych z cyklem komórkowym następuje w póznej fazie G1,
po przejściu tzw. punktu krytycznego (restrykcyjnego) R. Tym co warunkuje przejście
komórki przez punkt R jest obecność i odpowiednie stężenie działających na komórkę
tzw. czynników wzrostowych (ang. Growth Factors GF). Należą do nich: czynnik wzro-
stowy pochodzenia płytkowego (ang. Pletlet Derived GF PDGF), naskórkowy GF (Epi-
dermal GF EGF), fibrocytarny GF (ang. Fibroblast GF FGF), nerwowy GF (ang. Nerve
GF NGF), transformujacy GF (ang. Transforming GF TGF) oraz interleukiny (IL2,
IL3). W przypadku fibrobastów, które dobrze proliferują w warunkach in vitro a przez
Rozdział 2
44
FAZA M
włączenie mitozy
aktywny MPF
cyklina
miotyczna
rozpad cykliny
miotycznej
M
G2
CDK
CDK
miotyczna
fazy S
G1
S
rozpad
cykliny fazy S
cyklina
fazy S
aktywny kompleks cyklina-CDK fazy S
włączenie replikacji DNA
FAZA S
Ryc. 2.7. Regulacja CDK przez rozpad cyklin.
to są często stosowanym modelem doświadczalnym, takim czynnikiem jest PDGF. Re-
ceptorem dla tego czynnika wzrostu jest produkt protoonkogenu c kit. O efekcie dzia-
łania GF decyduje nie tylko jego obecność a nawet stężenie ale także ekspresja na ko-
mórce receptorów dla tych czynników. Proces sygnałowania wewnątrzkomórkowego
wywołany związaniem się GF z receptorem prowadzi do aktywowania genów dla białek
będących regulatorami cyklu. Gdy dojdzie do mutacji genów dla białek receptorowych,
gdy protoonkogeny stają się onkogenami, to białka te nie poddają się kontroli przez
Jądro komórkowe interfazalne
45
mechanizmy regulujące cykl. Mogą wtedy stale utrzymywać stan zwiększonej aktywno-
ści, nawet pod nieobecność GF, co w konsekwencji powoduje, że komórki dzielą się w
sposób niepohamowany a co jest cechą wzrostu nowotworowego. Jednak komórki wy-
posażone są w mechanizmy kontrolne uniemożliwiające podział nieprawidłowej komór-
ki. Stwierdzono istnienie czterech zasadniczych punktów kontrolnych. W pierwszym
dochodzi do blokowania wejścia w fazę S gdy DNA jest uszkodzony. Uszkodzenia DNA
to zmiany pojedynczych zasad azotowych, np. deaminacja cytozyny do uracylu, zmiana
dwóch zasad np. powstanie dimeru tymina tymina, pęknięcia łańcucha DNA oraz po-
wstanie wiązań poprzecznych. Komórka jest w stanie naprawić te uszkodzenia, jednak
nie zawsze jest to skuteczne. Drugi punkt kontrolny nie dopuszcza do wyjścia z fazy S
gdy DNA nie jest całkowicie zreplikowany. Trzeci powoduje zatrzymanie cyklu w fazie
G2 gdy zreplikowany DNA jest uszkodzony a czwarty zatrzymuje komórkę w mitozie, gdy
wrzecionko podziałowe jest nieprawidłowe. Zatrzymanie cyklu komórkowego odbywa się
przez obniżenie aktywności kompleksów CDK cyklina. Dokonują tego białka inhibito-
rowe należące do rodziny p21 (p21, p27, p57) oraz rodziny p15 i p16. Do białek bloku-
jących indukcję cyklu komórkowego należą białka p53 i Rb. Mutacje genów tych białek
stwierdza się w komórkach nowotworowych. Konsekwencją trwałego zahamowania ko-
mórki w cyklu może być jej śmierć przez apoptozę (str. 49).
Po przejściu punktu R komórka, już bez konieczności działania czynników zewnętrz-
nych podejmuje transkrypcję genów dla białek enzymatycznych, koniecznych dla synte-
zy DNA w fazie S m.in. syntetazy tymidynowej i polimeraz DNA. Faza S trwa w komór-
kach zwierzęcych zwykle 6 8 godzin.
Protoonkogeny to odmiana genów, które najpierw zostały wykryte, w formie zmuto-
wanej, w genomie onkogennych wirusów i nazwane onkogenami, gdyż ich obecność
warunkowała zdolność wirusa do wywołania nowotworu. Jak stwierdzono, onkogeny
wirusowe (oznaczane literą v, np. v fos), czyli zmutowane protoonkogeny, mogą zo-
stać wbudowane w genom komórki zakażonej przez wirusa, co może prowadzić do jej
transformacji nowotworowej. Produkty protoonkogenów to często, związane z błoną
komórkową białka o właściwościach receptorów dla czynników regulujących cykl ko-
mórkowy, takie jak czynniki wzrostu, oraz czynniki transkrypcyjne. Jeśli protonkogen
ulegnie zmutowaniu, czyli stanie się onkogenem, jego produkty stają się nieprawidłowe
co powoduje, że nie poddają się mechanizmom regulacyjnym. Efektem tego może być
np. stałe pobudzenie komórki do dzielenia się co jest cechą komórek transformowa-
nych nowotworowo. Jednak zasadnicze znaczenie protoonkogenów to kodowanie nie-
zwykle ważnych dla komórki białek regulacyjnych takich jak czynniki transkrypcyjne,
w tym uczestniczące w regulacji cyklu komórkowego jak również zjawiska apoptozy.
2.5.1. REPLIKACJA DNA
Jak stwierdzono, replikacja najpierw następuje w euchromatynie, a na końcu w he-
trochromatynie konstytutywnej. Przy czym odbywa się ona odcinkami nazywanymi
replikonami, w różnych miejscach chromatyny jednocześnie. Replikony mogą mieć dłu-
gość w zakresie 50 400 kilo zasad (kz), a ich liczba w jądrze komórki zwierzęcej wynosi
Rozdział 2
46
A miejsce inicjacji
A
A
A
A
3' 5'
5' 3'
widełki widełki
3' 5'
5' 3'
widełki widełki
3' 5'
5' 3'
widełki widełki
B
B
B
B
B
3' 5'
5'
3' nowo zsyntety-
3'
5'
5'
zowane DNA
3'
5'
3'
5'
3'
5'
3'
5' 5'
3' 3'
Ryc. 2.8. Replikacja DNA.
A powstawanie widełek replikacyjnych; B proces replikacji nici prowadzącej i opóznionej.
nić
opóznio
na
adząca
w
nić
o
pr
Jądro komórkowe interfazalne
47
Ryc. 2.9. Schemat budowy widełek replikacyjnych w chromosomach komórek eukariotycznych.
około 30.000. Replikacja zaczyna się w tych miejscach łańcucha DNA, które zawierają
charakterystyczne sekwencje określane jako ARS, (ang. autonomous replicating sequen-
ces) a fragment DNA zawierający taką sekwencję nazywany jest miejscem inicjacji re-
plikacji ori (od ang. origin of replication). DNA jądra komórkowego ssaków zawiera
około 30.000 takich miejsc. Po związaniu przez sekwencję ARS kompleksu białek ini-
cjujących ORC (od ang. origin recognition complex), dochodzi w tym miejscu do rozdzie-
lenia nici DNA, w efekcie czego powstaje oczko (ryc. 2.8A), oraz tzw. widełki repli-
kacyjne. Powstały w wyniku rozdzielenia podwójnej nici, jednoniciowy DNA stabilizo-
wany jest przez białka SBB (od ang. single strand binding proteins). Właściwa replikacja
zaczyna się w obu widełkach jednocześnie i w przeciwnych kierunkach od syntezy krót-
kiego (9 z) łańcucha RNA nazywanego starterowym, przy udziale enzymów nazywanych
prymazami. Następnie zaczyna być tworzony nowy łańcuch DNA przy udziale polime-
razy DNA. W jądrach komórek zwierzęcych wykazano obecność czterech rodzajów po-
limeraz DNA: alfa, beta, delta i epsilon. Polimeraza beta uczestniczy w naprawie DNA,
pozostałe polimerazy w procesie jego replikacji. Właściwy proces replikacji rozpoczyna
polimeraza alfa. Wiąże się ona najpierw z jednoniciową matrycą i starterem, a następ-
nie z odpowiednim nukleotydem. Reakcja polimeryzacji wymaga obecności jonów Mg.
Dalsze wydłużanie nowosyntetyzowanego łańcucha DNA wymaga rozwijania i rozdzie-
lania podwójnej spirali DNA. Umożliwiają to białka nazywane helikazami. Oprócz wy-
mienionych białek w procesie replikacji biorą także udział topoizomerazy, które elimi-
nują skręcanie się heliksy DNA w trakcie jej rozwijania, przez nacinanie i łączenie nici
DNA. Obie nitki widełek replikacyjnych stanowią matryce dla syntezy nowego DNA,
która jednak może zachodzić tylko w kierunku 3' 5' wzorca. Stwarza to problem w wy-
tłumaczeniu jednoczesnej replikacji obu ramion widełek. Przyjmuje się, że jedna nić
(prowadząca) syntetyzowana jest w sposób ciągły natomiast druga nić (opóżniona) frag-
mentami, nazywanymi fragmentami Okazaki. Fragmenty te rosną zgodnie z kierunkiem
Rozdział 2
48
46 chromosomów
92 chromatydy (4N ilości DNA) podzielone
92 chromatydy
równo do dwóch siostrzanych komórek
M
G0
G2
46 chromosomów
46 chromosomów (2N ilości DNA)
92 chromatydy
G1
(4N ilości DNA)
S
Ryc. 2.10. Liczba chromosomów oraz ilość chromosomalnego DNA w cyklu komórkowym.
3' 5' wzorca, a więc w kierunku przeciwnym do kierunku przesuwania widełek, ale ko-
lejne fragmen-ty powstają zgodnie z tym kierunkiem (ryc. 2.8B). Ligazy powodują łącze-
nie się tych fragmentów w jedną nić. Następnie w wyniku dołączenia się histonów, naj-
pierw H3 i H4, a potem H2A i H2B powstają nukleosomy, których w obrębie widełek
replikacyjnych nie ma (ryc. 2.9). Jak stwierdzono, nowosyntetyzowane cząsteczki histo-
nów oraz stare łączą się zarówno z nicią wiodącą jaki opóznioną. Zakończenie repli-
kacji następuje wtedy gdy widełki replikacyjne sąsiadujących oczek zetkną się ze sobą.
Całość syntezy genomu zajmuje zwykle komórce kilka godzin (6 8) i czas ten jest cha-
rakterystyczny dla danego rodzaju komórek (ryc. 2.10).
Po zakończeniu fazy replikacji DNA zwanej fazą S, następuje faza G2, bezpośrednio
poprzedzająca mitozę, czyli fazę M. W fazie G2 zasadniczym procesem jest synteza bia-
łek wrzecionka kariokinetycznego tubulin. Przejście z fazy G2 w fazę M odbywa się przez
punkt kontrolny, którego przejście warunkowane jest działaniem czynnika MPF (ang. M
phase promoting factor). Jest on kompleksem CDK2 cyklina B i określany jest jako ki-
naza M. W trakcie mitozy cyklina B ulega degradacji przez proteasomy.
1 g
odz.
odz.
1
4 g
0 1
1 g
odz.
podw
6 1
2 g
ojenie c
somaln
odz.
h
eg
r
omo-
o DNA
Jądro komórkowe interfazalne
49
Proteasomy to kompleksy enzymatyczne wielkości 20 26 S (około 30 podjednostek m.cz.
700 kDa) występujące w macierzy cytoplazmy i mające zdolność degradowania (trawienia)
białek w niej się znajdujących. Proteasom ma kształt cylindra długości 16 nm i średnicy 11
16 nm z kanałem o średnicy 4 nm. Proteasomy zwykle działają na białka, które wcześniej
uległy związaniu z ubikwityną. Ubikwityna to białko o m.cz. 8,6 kDa należące do najbar-
dziej konserwtywnych białek u eukariota i jednocześnie najczęściej występujących białek w
komórce. Stąd jego nazwa (ang. ubiquitous = wszędzie obecny). Poza tym, że współdziała z
proteasomami w trawieniu białek zawartych w macierzy cytoplazmy, nieobłonionych, to także
może pełnić rolę białka towarzyszącego (chaperon), transferowego i białka szoku termicz-
nego. Białka szoku termicznego HSP (od ang. heat shock proteins) to konserwatywne biał-
ka syntetyzowane w komórce w odpowiedzi na niekorzystne warunki tj. podwyższenie tem-
peratury, metale ciężkie, nadtlenek wodoru i inne czynniki uszkadzające. Tworzone są za-
równo przez komórki prokariotyczne jak i eukariotyczne dla zmniejszenia efektu działania
czynnika szkodliwego przy powtórnym jego wniknięciu. Uważa się, że ubikwityna, której
synteza znacznie wzrasta po działaniu ww. czynników szkodliwych ułatwia eliminowanie nie-
prawidłowych białek jakie powstają w czasie działania tych czynników.
2.5.2. KARIOKINEZA
W fazie M dochodzi do podziału jądra drogą kariokinezy. Zasadniczym celem karioki-
nezy jest precyzyjne rozdzielenie podwojonej ilości DNA na dwie nowopowstałe komórki.
Koniecznym dla tego procesu jest wyodrębnienie się z chromatyny poszczególnych chromo-
somów drogą spiralizacji nici chromosomu interfazalnego (profaza). Następnie wyodrębnione
chromosomy, dzielą się na chromatydy i gromadzą w równiku komórki (metafaza), po czym
wędrują wzdłuż włókienek wrzecionka do jego biegunów (anafaza) tworząc układ zwany
diaster dwu gwiazd potomnych. Następuje odtworzenie jądra (telofaza) i podział cyto-
plazmy cytokineza.
I. Profaza. Wyodrębniające się z chromatyny chromosomy mają początkowo postać
dwóch cienkich nitek (chromatydy siostrzane) połącznych w miejscu określanym jako
centromer. W końcu profazy, po obu stronach centromeru tworzy się kinetochor, który
po ukształtowaniu się wrzecionka kariokinetycznego wiąże należące do niego mikrotu-
bule. Postępująca spiralizacja chromosomów powoduje, że z z nitek o średnicy 30 nm
powstają włókna o średnicy 200 400 nm. Proces ten zachodzi w wyniku fosforylacji hi-
stonu H1 oraz H2A i H3, którą katalizuje kinaza fazy M. Obok kondensacji chromoso-
mów w profazie tworzone jest wrzecionko kariokinetyczne.
W końcowej profazie nazywanej prometafazą dochodzi do zanikania otoczki jądro-
wej, co jest spowodowane fosforylacją lamin, białek jej blaszki włóknistej. W efekcie
otoczka rozpada się na cysterny, które zachowują związek z laminą B. Zanikają jąder-
ka, co jest wyrazem zahamowania syntezy rRNA i tworzenia podjednostek rybosomów,
a w efekcie i biosyntezy białka w komórce.
Wrzecionko kariokinetyczne zwane też podziałowym, powstaje z elementów cytoszkiele-
tu. Podstawową strukturą wrzcionka są mikrotubule zbudowane z białka tubuliny, ułożone
pomiędzy dwoma biegunami wrzecionka. Z mikrotubulami związane są białka MAP (od ang.
microtubule binding proteins) do których należą dyneiny (MAP 1C), które mają właściwości
ATP azy i są one, poprzez hydrolizę ATP, przekaznikami energii dla ruchu chromosomu
Rozdział 2
50
preprofaza profaza metafaza
wyodrębnianie się
wewnątrz jądra chromosomy ustawiają się w
chromosomów, zaczątki
kondensacja płaszczyznie równikowej, zanik
wrzeciona i pękanie
chromosomów otoczki jądrowej i jąderka
otoczki jądrowej
telofaza pózna anafaza wczesna anafaza
odtwarzanie jądra, podłużne rozdzielenie się
agregowanie chromosomów
utworzenie otoczki chromosomów i wędrówka
na biegunach, początek
jądrowej i jąderka, do biegunów
podziału komórki, zaczątek
zakończenia
bruzdy podziałowej
podziału komórki
Ryc. 2.11. Fazy podziału mitotycznego.
w trakcie karikinezy. Wrzecionko tworzą mikrotubule biegunowe, przebiegają pomiędzy bie-
gunami oraz mikrotubule kinetochorowe łączące chromosom z biegunem wrzecionka. Mikro-
tubulom wrzecionka towarzyszą cysterny SER gromadzące jony Ca, które odgrywają rolę w
procesie przemieszczania się chromosomów w trakcie kariokinezy. W biegunach wrzecionka
znajdują się pary centrioli, które trafiają do biegunów w trakcie profazy oddalając się od sie-
bie ze strefy centrosomu komórki. Pojedyncza centriola ma w ME kształt cylindra długości
300 500 nm i średnicy 150 nm, którego tworzy 9 trójek mikrotubul (ryc. 2.12). Ostateczne
ukształtowanie się wrzecionka następuje po zaniknięciu otoczki jądrowej w końcu profazy.
II. Metafaza. Ostatecznie skondensowane chromosomy układają się w równiku ko-
mórki, co daje obraz tzw. płytki równikowej, jeśli komórka oglądana jest z boku lub tzw.
gwiazdy macierzystej (monaster), jeśli oglądana od strony biegu.
Komórki w okresie metafazy służą, po zahamowaniu kolchicyną lub innym czynni-
kiem uszkadzajacym wrzecionko, do badania kariotypu osobnika. U człowieka kario-
typ tworzy 46 chromosomów. Metafazalne chromosomy można łatwo policzyć i scha-
rakteryzować w oparciu o ich długość, długość ramion oraz przez zastosowanie od-
powiednich technik, w oparciu o tzw. wzór prążkowy (prążki G, Q i C) lub metody
biologii molekularnej.
III. Anafaza. Chromosomy ułożone w równiku komórki dzielą się na chromatydy sio-
strzane, które stają się w ten sposób nowopowstałymi chromosomami. Do oddzielenia
Jądro komórkowe interfazalne
51
A. Mikrotubule
ą tubulina
tubulina
24 nm
Koniec (+)
5 nm
dimery tubuliny
przekrój
przekrój podłużny
(heterodimery)
poprzeczny
elektronogram mikro-
tubul wykazujących
cechy budowy jak
na ryc. A
łączniki
B. Rzęska
białkowe
C. Centriola
powiększony
wspólny
dublet
heterodimer
mikrotubul
dyneina
dublety
mikrotubul
błona
komórkowa
neksyna
lochewka
centralna
Aksonema
Ryc. 2.12. Budowa mikrotubul (A), rzęsek (B) i centrioli (C).
Rozdział 2
52
się chromatyd dochodzi w wyniku replikacji DNA w centromerze, który w fazie S cyklu
replikacji nie podlega.
Każdy z siostrzanych chromosomów podejmuje przemieszczanie się do przeciwnych
biegunów, z szybkością średnio 2.5 m/min. Ruch chromosomów do biegunów ma być
powodowany przez pociąganie przez mikrotubule kinetochorowe oraz oddalania się bie-
gunów wrzecionka od siebie.
Ruch chromosomów do biegunów wrzecionka można zahamować, powodując rozpad
mikrotubul. Efekt taki można uzyskać przy pomocy kolchicyny oraz winblastyny i win-
krystyny, które stosowane są w terapii onkologicznej, do hamowania proliferacji komó-
rek nowotworowych, czyli jako cytostatyki.
IV. Telofaza. Chromosomy znajdujące się w biegunach podlegają rozluznieniu. Roz-
poczyna się synteza rRNA, czego efektem jest powstanie jąderka. Wrzecionko ulega
rozpadowi a tubulina z mikrotubul wrzecionka wykorzystywana jest do tworzenia prze-
budowującego się cytoszkieletu. Z fragmentów odtwarzana jest otoczka jądrowa. Powsta-
wanie nowego jądra w telofazie związane jest procesami defosforylacji histonów H1 (roz-
luznienie chromosomów), lamin blaszki włóknistej (odtwarzanie otoczki) oraz innych
białek jądrowych, które w trakcie kariokinezy uległy fosforylacji.
Podział komórki kończy cytokineza, czyli podział cytoplazmy. W komórkach zwięrzę-
cych odbywa się to poprzez przewężenie cytoplazmy pomiędzy nowopostałymi jądrami.
Powstanie przewężenia poprzedza gromadzenie się pod błoną komórkową mikrofilamen-
tów aktynowych i miozynowych, które tworzą tzw. pierścień kurczliwy. W podziale cyto-
plazmy uczestniczą także cysterny SR.
2.5.3. MEJOZA
Specyficznym podwójnym podziałem komórkowym, zachodzącym w trakcie gameto-
genezy (rozdz. 18 i 19, ryc. 18.2 i 19.2) jest mejoza, która prowadzi do redukcji liczby
chromosomów a przez to do redukcji materiału genetycznego, czyli DNA. W trakcie
pierwsze podziału zwanego redukcyjnym dochodzi do zmniejszenia liczby chromosomów
do połowy, a w drugim podziale następuje redukcja ilości DNA do ilości haploidalnej
(1N). Profaza pierwszego podziału mejotycznego ma szczególny przebieg, w którym
wyróżnia się 5 stadiów: leptoten, zygoten, pachyten, diploten i diakineza. Złożony prze-
bieg tej fazy podziału w efekcie prowadzi do wymiany materiału genetycznego między
chromosomami pochodzącymi od ojca i matki (crossing over) a przez to zachodzi mie-
szanie się informacji genetycznych od ojca i matki.
2.6. CYTOSZKIELET
Wrzecionko kariokinetyczne jest wytworem cytoszkieletu komórki, a białko z którego
powstają włókienka wrzecionka to alfa i beta tubulina, układająca się w mikrotubule (o śred-
nicy 25 nm). Obok mikrotubuli elementem cytoszkieletu są mikrofilamenty (średnica 6 nm)
oraz filamenty pośrednie o średnicy 10 nm (tabela 2.1, ryc. 2.13).
Jądro komórkowe interfazalne
53
4
1
~300 A
60 A
3
6
C
C
C
C
C
B
B
B
B
B
5
1
5
A
A
A
A
A
Ryc. 2.13. Cytoszkielet.
1 mikrotubula, 2 jądro komórkowe, 3 centriola, 4 mikrofilamenty, 5 protofilamenty,
6 cząsteczki tubuliny tworzące protofilamenty mikrotubul.
Rozdział 2
54
Tabela 2.1. Cytoszkielet
Mikrotubule zbudowane średnica 25 nm tworzą wrzecionko
z dimerów długość kilka mm kariokinetyczne, migawki,
tubuliny do 1 m centriole,w macierzy cyto-
alfa i beta plazmy w pęczkach,wiążą się
z białkami błony
Mikrofilamenty aktynowe średnica 6 7 nm uczestniczą w podziale i ruchu
miozynowe średnica 15 nm komórki, pinocytozie i fago-
cytozie
Filamenty keratynowe średnica 8 10 nm występują w naskórku
pośrednie
desminowe -"- m. gładkie
m. poprzecznie prążkowane
m. sercowy
wimentynowe -"- w komórkach pochodzenia
mezenchymatycznego (fibro-
blasty) zlokalizowane w po-
bliżu jądra
glejowe -"- w komórkach gleju
neurofilamenty -"- w wypustkach neuronów
Rola cytoszkieletu w funkcjonowaniu komórki to już omówiony udział w kario i cytoki-
nezie oraz w ruchu wewnątrz komórki jak i w przemieszczaniu się komórki w jej środowisku.
Ruch wewnątrz komórki dotyczy przemieszczania się organelli komórkowych a także pęche-
rzyków i wakuoli, co związane jest ze zjawiskami endo- i egzocytozy. Jak stwierdzono elementy
cytoszkieletu wiążą się z białkami błony komórkowej co powoduje, z jednej strony ufiksowa-
nie tych białek, ograniczające ich możliwości przemieszczania się w płaszczyznie błony, a co
w efekcie sprawia, że komórki są spolaryzowane strukturalnie i czynnościowo. Z drugiej strony,
wiązanie się elementów cytoszkieletu z białkami błony powoduje, że działanie czynników
mechanicznych na komórkę przenosi się z błony na cytoszkielet. Tym tłumaczy się aktywują-
ce działanie czynników mechanicznych na komórki m.in. komórki kostne, mięśnia sercowe-
go i śródbłonków a także ich działanie hamujące, jak w przypadku komórkowych zjawisk
kontaktowych.
2.7. PROLIFERACJA I R NICOWANIE
W wyniku podziału komórki drogą mitozy powstają dwie nowe komórki. Ich dalsze
podziały prowadzą do powstania populacji (zbioru) komórek, który nazywamy klonem
komórkowym, a drogę jaką powstaje nazywamy proliferacją.
Organizm człowieka powstaje z jednej komórki zygoty, a więc jest klonem komór-
kowym, zbiorem komórek identycznych genetycznie, ale nie fenotypowox). Dochodzi
x)
Fenotyp zestaw cech strukturalnych i funkcjonalnych komórki
Jądro komórkowe interfazalne
55
bowiem wraz ze wzrostem organizmu do różnicowania się komórek, a więc zmian
fenotypu identycznych genetycznie komórek. Komórki o identycznym lub bliskim feno-
typie tworzą populacje komórkowe o określonych cechach fenotypowych.
2.7.1. POPULACJE KOM RKOWE
Jeśli chodzi o aktywność proliferacyjną to wyróżniamy następujące rodzaje popula-
cji komórek:
rozrastająca się, w której wszystkie komórki są w cyklu mitotycznym, a liczba ko-
mórek wzrasta wykładniczo. Są to populacje istniejące we wczesnym rozwoju za-
rodkowym oraz populacje komórek nowotworowych.
wzrastająca, tylko część komórek jest w cyklu mitotycznym, reszta w fazie G0. Są
to populacje w organizmie rosnącym po urodzeniu.
odnawiająca się, w której część komórek jest w cyklu komórkowym i dzieli się,
natomiast część ulega eliminacji np. droga apoptozy lub martwicy, ale ogólna licz-
ba komórek nie ulega zmianie, przy czym zródłem nowopowstałych komórek są ko-
mórki macierzyste (patrz str. 57). Populacje takie występują w organizmie dojrza-
łym, należą do nich m.in. nabłonki i krew.
statyczna, w której komórki nie ulegają podziałom, a liczba ich przez znaczną cześć
życia osobnika niewiele się zmienia. Należą do tego rodzaju komórki nerwowe i
mięśniowe.
Obecność populacji rozrastających się i wzrastających prowadzi do wzrostu narządów
oraz całego organizmu. Jednak wzrost narządów i organizmu może odbywać się nie tyl-
ko przez proliferację, ale rownież przez przerost wzrost objętości komórek bez ich
podziału oraz przez zwiększenie objętości substancji międzykomórkowej, czyli przez akre-
cję. Tempo wzrostu zarówno przez proliferację, przerost i akrecję podlega w organizmie
ścisłej kontroli. Regulowanie wzrostu poprzez proliferację odbywa się drogą regulowa-
nia cyklu komórkowego, a miarą tempa tego wzrostu jest indeks mitotyczny (IM) ilu-
strujący odsetek komórek w danej populacji będących w trakcie podziału. Wielkość in-
deksu mitotycznego będącego miarą tempa wzrostu i proliferacji zależy od frakcji ko-
mórek będących w cyklu komórkowym w całej populacji. Tak więc zasadnicze znaczenie
dla tempa wzrostu mają te czynniki regulacyjne, które wpływają na to ile komórek jest
w cyklu a ile w fazie G0. Znanych jest wiele różnych czynników, które mogą wpłynąć na
to czy komórka przejdzie w fazę G0 lub z fazy G0 w G1 a następnie ulegnie podziałowi.
Dość dawno stwierdzono, że w regulacji proliferacji komórek istotne znaczenie mają tzw.
zjawiska kontaktowe. Obserwowano je przede wszystkim w hodowlach komórek in vitro, ale
wykazano, że również in vivo odgrywają one istotną rolę. Stwierdzono mianowicie, w bada-
niach in vitro, że z jednej strony wiele populacji komórek wymaga dla wzrostu przez prolife-
rację kontaktu z podłożem (tylko nieliczne rodzaje komórek takie jak komórki limfatyczne
potrafią rosnąć w zawiesinie), z drugiej strony stwierdzono, że jeśli komórki rosnące na pod-
łożu wejdą w kontakt ze sobą to przestają się dzielić. Nazwano to zjawisko kontaktowym za-
hamowaniem wzrostu. Jak stwierdzono związane jest ono z kontaktowym zahamowaniem
migracji. Wykazano, że w zjawiskach kontaktowych zasadnicze znaczenie mają zmiany w bło-
Rozdział 2
56
nie komórkowej wytworzone czynnikiem fizycznym jakim jest kontakt. W jednym wypadku
kontakt ze stałym podłożem ma wywoływać zdolność do podziału, w drugim kontakt z inną
komórką ma poprzez zmiany w błonie i aparacie ruchowym komórki cytoszkielecie, powo-
dować zahamowanie migracji, a przez to blokowanie zdolności do proliferacji. Na znaczenie
tych zjawisk in vivo wskazuje fakt, że komórki nowotworowe nie wykazują zahamowania kon-
taktowego. Podczas, gdy komórki prawidłowe rosną na podłożu (in vitro) w postaci jednej
warstwy (monolayer), to komórki nowotworowe tworzą wiele warstw, gdyż brak hamowania
kontaktowego powoduje, że mogą pełznąć jedna po drugiej. Ta właśnie zdolność komórek
nowotworowych, pełzania po innych komórkach ma mieć związek z inwazyjnością nowotwo-
rów. Zjawiska kontaktowe odgrywają rolę nie tylko w regulowaniu proliferacji, ale przez zja-
wisko kontaktowego naprowadzania (kierunek migracji) oraz wybiórczego zatrzymania, pro-
wadzą do agregacji właściwie dobranych rodzajów komórek. Zjawiska te odgrywają bardzo
istotną rolę w embriogenezie i organogenezie, ale także u osobników dojrzałych w przemiesz-
czaniu się komórek.
W regulowaniu proliferacji poprzez wpływanie na zapoczątkowanie i przebieg cyklu ko-
mórkowego bardzo ważną rolę odgrywają substancje biologicznie czynne działające drogą
humoralną (poprzez płyny tkankowe). Szczególną rolę w regulowaniu proliferacji odgrywa-
ją peptydy nazywane czynnikami wzrostu (tabela 2.2). Znanych jest już wiele takich czynni-
ków, m.in. naskórkowy czynnik wzrosu (EGF ang. epidermal growth factor), płytkopochod-
ny czynnik wzrostu (PDGF ang. platlet derived growth factor). Część z nich zostanie do-
kładniej omówionych w następnych rozdziałach m.in. w rozdz. Szpik kostny. Rozwój krwi .
Natomiast czynnikami, które mogą hamować cykl a przez to proliferację, są niektóre hor-
Tabela 2.2. Czynniki wzrostu
Czynnik wzrostu nerwów różnicowanie i przeżycie neuronów
(NGF nerve growth factor)
Naskórkowy czynnik wzrostu proliferacja wielu rodzajów komórek
(EGF epidermal growth factor)
Fibroblastyczny czynnik wzrostu proliferacja fibroblastów i komórek śródbłonka
(FGF fibrobast growth factor) (angiogeneza)
Śródbłonkowy czynnik wzrostu proliferacja komórek śródbłonka (angiogeneza)
(VEGF vascular endothelial growth
factor)
Płytkopochodny czynnik wzrostu proliferacja fibroblastów i innych komórek
(PDGF platelet derived growth factor)
Insulinopochodny czynnik wzrostu 1,2 (somatomedyna) stymulacja wzrostu chrząstki
(IGF insulinlike growth factor) nasadowej
Interleukina 2 proliferacja limfocytów T
Erytropoetyna (Epo) proliferacja i różnicowanie komórek szpikowych
szeregu czerwonokrwinkowego
Transformujący czynnik wzrostu alfa działanie hamujące proliferacje limfocytów T i B, i
beta (TGF transforming growth factor) udział w gojeniu się ran, stymulowanie powstawania
naczyń
Jądro komórkowe interfazalne
57
mony np. androgeny oraz substancje egzogenne tj. niektóre antybiotyki np. mitomycyna C,
czynniki fizyczne jak promieniowanie jonizujące. Substancje i czynniki hamujące prolifera-
cję mają oczywiście zastosowanie w hamowaniu wzrostu nowotworów.
2.7.2. R NICOWANIE
Jak już wspomniano organizm człowieka jest klonem komórek, które powstały z jed-
nej zygoty i mają ten sam genotyp, natomiast różnią się fenotypem. Kształtowanie się
fenotypu komórek odbywa się wielostopniowo w procesie różnicowania. Zasadnicze etapy
różnicowania odbywają się w życiu płodowym: pierwotne i pośrednie, natomiast różni-
cowanie ostateczne terminalne zachodzi również w życiu pozapłodowym. W procesie
różnicowania zachodzi stopniowe ograniczanie możliwości tworzenia przez daną komórkę
innych rodzajów komórek. Związane jest to z blokowaniem coraz większego zakresu
genomu komórki. Jak stwierdzono istotną rolę odgrywa metylowanie zasad DNA głów-
nie cytozyny, które powoduje hamowanie transkrypcji określonych genów. Istotną rolę
w procesie różnicowania odgrywają oddziaływania pomiędzy komórkami, bezpośrednie
poprzez kontakt lub pośrednie, poprzez wydzielanie aktywnych substancji. Oddziaływa-
nia te nazywamy indukcją i zachodzą one poprzez błonę komórkową, a ważną rolę od-
grywają w nich elementy cytoszkieletu.
Różnicowanie związane jest z proliferacją. Zwykle im bardziej zaawansowane różni-
cowanie tym mniejsze tempo proliferacji. W wyniku różnicowania terminalnego część
populacji komórek np. nerwowe tracą na stałe zdolność do proliferacji, a w innych tylko
część zachowuje zdolność do proliferacji, pozostając w fazie G0. Organizm dojrzały za-
wiera populacje statyczne, reprezentujące komórki, które utraciły zdolność do prolife-
racji oraz populacje odnawiające się.
2.7.3. KOM RKI MACIERZYSTE
Komórki macierzyste to komórki występujące w organizmie po jego urodzeniu, któ-
re mają zdolność do samoodnowy, tzn. po podziale zachowują fenotyp komórki niezróż-
nicowanej a jednocześnie mają zdolność tworzenia klonów komórkowych, które podle-
gając różnicowaniu, po osiągnięciu terminalnego stopnia zróżnicowania pełnią właściwą
dla siebie funkcję. Obecność komórek macierzystych, określanych jako tkankowo ukie-
runkowane, w populacjach odnawiających się, zapewnia tym populacjom właściwą licz-
bę tworzących je komórek, przez całe życie osobnika. Zależnie od rodzaju tkanki do jakiej
należą komórki macierzyste wykazują różne cechy. Mogą różnicować się w jeden rodzaj
komórek, tak jak to jest w naskórku lub tworzyć kilka linii komórkowych jak to jest w
krwi szpikowej. Ze względu na swój potencjał proliferacyjny komórki macierzyste, w
wyniku mutacji, są często punktem wyjścia nowotworów. Sprawą ciągle kontrowersyjną
jest zjawisko określane jako transdyferencjacja czyli zmiana fenotypu komórek macie-
rzystych ukierunkowanych tkankowo, z jednego rodzaju tkanki na inną. Problem ten
budzi duże zainteresowanie w związku z możliwością zastosowania terapeutycznego tych
komórek. Względnie łatwo dostępne szpikowe komórki macierzyste mogłyby być zasto-
Rozdział 2
58
sowane do regeneracji tkanki nerwowej lub mięśnia sercowego. Wykazano, że komórki
macierzyste o różnym ukierunkowaniu tkankowym występują w krwi obwodowej, jednak w
bardzo małych ilościach. Można by je wykorzystać do przeszczepów autologicznych gdyby uda-
ło się opracować metodę namnażania ich, z zachowaniem fenotypu komórki macierzystej.
2.7.4. APOPTOZA
Apoptoza to proces śmierci komórki przebiegający wg określonego programu, z czym
związane jest aktywowanie wielu szlaków biochemicznych. Wymaga to syntezy nowych
białek i aktywowania już istniejących w komórce. Przebiega w dwóch zasadniczych eta-
pach: indukcji i egzekucji, przy czym indukcja przebiegać może szlakiem zewnątrzko-
mórkowym lub wewnątrzkomórkowym. Pierwszy indukowany jest przez sygnały z komó-
rek produkujących cząsteczki wiązane przez komórki podlegające apoptozie. Wiązane są
one przez receptory z rodziny receptora TNF alfa. Należą do nich receptor TNF typu I
i Fas (CD 95). Receptory te posiadają w części wewnątrzkomórkowej sekwencje nazy-
wane domenami śmierci (DD death domains), które wiążą i aktywują kaspazy pro-
teazy cysteinowe, co prowadzi do etapu egzekucji. Natomiast indukcję apoptozy w szla-
ku wewnątrzkomórkowym wywołują różne czynniki uszkadzające komórkę tj. niedotle-
nienie, wolne rodniki, promieniowanie jonizujące, a także brak czynników koniecznych
dla życia komórki. W wywołanym przez nie procesie indukcji istotną rolę odgrywają:
aktywowanie białka p53 oraz uwolnienie z mitochondrium cytochromu C i białka AIF
(ang. apoptosis inducing factor). Cytochrom C po uwolnieniu z mitochondrium łączy się
z białkiem APAF (ang. apoptosis protease activiting factor) czego wynikiem jest powsta-
nie kompleksu określanego jako apoptosom. Uwalnianie cytochromu C z mitochondrium
jest pod kontrolą białek z rodziny Bcl-2, z których niektóre tj. Bcl-2 i Bcl-x zapobiegają
apoptozie. Powstanie apoptosomu zapoczątkowuje aktywację kaskady kaspaz, co podob-
nie jak w szlaku zewnątrzkomórkowym zapoczątkowuje etap egzekucji. Wyróżnia się w
nim trzy stadia: uwolnienia, uwypuklenia i kondensacji. Stadium uwolnienia objawia się
utratą połączeń z innymi komórkami i przyjęcie kształtu kulistego, w związku ze zmia-
nami w cytoszkielecie. Uwidacznia się to szczególnie w przypadku komórek nabłonko-
wych. Jednocześnie dochodzi do aktywowania nukleaz, głównie kaspazy CAD (caspase
activated DNA-se), która powoduje rozfragmentowanie DNA, co uwidocznia się w trakcie
elektroforezy jako tzw. drabinka. W stadium uwypuklania dochodzi do obkurczania się
komórki, przy czym integralność błony komórkowej jest zachowana, chociaż zachodzą
w niej zmiany polegające na eksponowaniu po stronie zewnętrznej błony fosfatydylose-
ryny przy udziale białka nazywanego floppazą. Obecność fosfatydyloseryny na powierchni
komórki gdzie normalnie nie występuje, można wykryć przy pomocy aneksyny V, co sta-
nowi jeden z testów na wykazanie apoptozy. W stadium kondensacji tworzone są tzw.
ciałka apoptotyczne co prowadzi do rozpadu komórki na wiele takich ciałek zawierają-
cych, otoczonych błoną komórkową, fragmentów cytoplazmy i skondensowanej chroma-
tyny jądrowej. Ciałka te ulegają sfagocytowaniu, głównie przez makrofagi, które na swojej
powierzchni posiadają receptory dla fosfatydyloseryny eksponowanej na powierzchni
komórek podlegających apoptozie. Ten sposób likwidowania komórki nie wywołuje re-
akcji zapalnej ze strony komórek układu odpornościowego, w przeciwieństwie do śmierci
Jądro komórkowe interfazalne
59
Ryc. 2.14. Przebieg apoptozy (2, 3, 4,
5, 6) i martwicy komórki (7, 8).
1 komórka normalna, 2 wczesne sta-
dium apoptozy; zagęszczenie i margina-
lizacja chromatyny w jądrze, zagęszcze-
nie cytoplazmy, pofałdowanie granic ją-
dra i cytoplazmy, 3 dalsze stadium;
fragmentacja jądra, powstawanie ciałek
apoptotycznych, 4, 5 i 6 fagocytoza i
degradacja w lizosomach, 7 rozwój
martwicy, powstawanie nieregularnych
grudek chromatyny, obrzęk organelli i
ogniskowe przerwy błon, 8 błony ule-
gają dezintegracji ale komórka zachowu-
je swój kształt do czasu usunięcia jej
przez fagocyty.
makrofag
komórki drogą martwicy czyli nekrozy. Martwica w odróżnieniu od apoptozy czyli śmierci
zaprogramowanej jest śmiercią komórki niejako z przypadku, gdy zadziałają bardzo sil-
ne czynniki uszkadzające tj. wysoka temperatura, toksyny oraz urazy mechaniczne zgnie-
cenie lub rozerwanie. Objawia się przede wszystkim obrzękiem komórki i przerwaniem
ciągłości błony komórkowej, czego konsekwencja jest wywołanie reakcji zapalnej (ryc.
2.14).
Inhibitorami apoptozy występującymi w komórce są białka IAP (ang. inhibitors of
apoptosis) do których należy białko surwiwina blokująca aktywność niektórych kaspaz.
2.7.5. PROCES STARZENIA SI ORGANIZMU NA POZIOMIE KOM RKOWYM
Biologiczne starzenie się organizmu wielokomórkowego jakim jest organizm człowie-
ka przebiega na różnych poziomach jego budowy; na poziomie molekularnym, komór-
kowym i narządowym. Charakter zmian, jakie zachodzą w komórkach zależy od tego do
jakiego rodzaju populacji komórkowych dana komórka należy. Podstawowym kryterium
różnicowania populacji komórkowych w organizmie dojrzałym jest to czy zachowaną mają
one zdolność do podlegania podziałom, tzn. czy populacja ma zdolność do proliferacji
czy nie. Populacje, które w organizmie dojrzałym mają zdolność do proliferacji to popu-
lacje określane jako odnawiające się. Przykładem takiej populacji komórkowej jest krew,
której komórki stale, chociaż w różnym tempie, są wymieniane przez całe życie osobni-
Rozdział 2
60
ka. Czas życia tych komórek jest znacznie krótszy niż życie osobnika. Po osiągnięciu ter-
minalnego stopnia zróżnicowania, po spełnieniu swojej funkcji, niekiedy zaledwie po kilku
dniach ulegają apoptozie. Zmiany jakie w nich zachodzą nie są związane z ich starze-
niem się a z procesem różnicowania zaprogramowanym genetycznie. Jednak w popula-
cjach odnawiających się są komórki, które przez całe życie osobnika zachowują stale ten
sam stopień zróżnicowania, to komórki macierzyste. Dzieląc się asymetrycznie na komór-
kę o fenotypie komórki macierzystej oraz komórkę, która w kolejnych podziałach ulega
różnicowaniu dostarczając swojej populacji nowych zróżnicowanych komórek. W ten
sposób zachowana zostaje pula niezróżnicowanych komórek macierzystych, będących
zródłem nowych klonów komórkowych a jednocześnie pula komórek różnicujących się i
zróżnicowanych utrzymywana jest na stałym poziomie. O ile komórki zróżnicowane żyją
zbyt krótko aby się zestarzeć to komórki macierzyste z których się wywodzą mają na to
dosyć czasu. Przede wszystkim zmiany związane ze starzeniem się mogłyby dotyczyć ich
zdolności proliferacyjnych, tym bardziej, że jak wykazano komórki pobrane z organizmu
i hodowane in vitro mogą dzielić się tylko ograniczoną ilość razy. Nazwano to starzeniem
replikacyjnym, gdyż elementem tego zjawiska jest zahamowanie replikacji DNA w cy-
klu komórkowym. Dochodzi do tego, ponieważ w kolejnych cyklach podziałowych ko-
mórek np. fibroblastów następuje skracanie się końcowych części łańcuchów DNA two-
rzących chromosomy, czyli tzw. telomerów. Skracanie telomerów nie następuje gdy w
komórce jest aktywny kompleks zwany telomerazą. Jedynie komórki macierzyste, w or-
ganizmie dojrzałym posiadają ten kompleks, przez co nie podlegają starzeniu replikacyj-
nemu. Zaburzenia w proliferacji populacji odnawiających się, obserwowane w okresie
starości związane są z procesami patologicznymi a nie wynikają bezpośrednio z procesu
starzenia się. Komórki należące do populacji nie proliferujących w organizmie człowie-
ka po urodzeniu, nazywane stabilnymi lub post-mitotycznymi, w przeciwieństwie do na-
leżących do populacji odnawiających się, poza komórkami macierzystymi, mają szan-
sę życia tak długo jak i cały organizm. Stwarza to możliwość podlegania procesowi sta-
rzenia się. Jednak nie musi do tego dochodzić gdyż żywa komórka ma zdolność do sa-
monaprawy, pod warunkiem, że jej genom nie ulegnie uszkodzeniu w rejonach, które
kodują mechanizmy naprawcze. Jeśli liczba nie naprawionych zmian osiągnie pewien
poziom komórka ulega eliminacji przez apoptozę. Populacje stabilne tworzą komórki o
szczególnym znaczeniu dla funkcji i przeżycia organizmu. Są to komórki nerwowe oraz
mięśniowe, w tym i komórki mięśnia sercowego. Ubytek z wiekiem neuronów tworzą-
cych OUN ma wpływ na funkcję tego narządu zależnie od tego jakiej jego części doty-
czy. Kora mózgowa dysponuje tak wielką liczba neuronów, że ich ubytek z wiekiem nie
wydaje się mieć istotnego wpływu na jej funkcję, tym bardziej, że jak wykazano ostatnio
charakteryzuje się ona znaczną plastycznością funkcjonalną. Natomiast gdy dotyczy ośrod-
ków podkorowych, tj. istoty czarnej to ubytek neuronów dopaminowych, dominujących
w tej strukturze, gdy dodatkowo nałożą się na to zmiany patologiczne, może dochodzić
do schorzenia częstego w wieku podeszłym w postaci choroby Parkinsona. Jednak zmiany
jakie zachodzą w komórkach organizmu w procesie starzenia się nie mają charakteru pato-
logicznego, natomiast stanowić mogą podłoże ułatwiające wystąpienie takich zmian.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Jądro komórkowe Cykl życiowyJADRO KOMORKOWEJADRO KOMORKOWE PODCZAS APK JADRO KOMORKOWEJADRO KOMORKOWEJądro komórkowe2002 02 Qt Creating InterfacesCykl komorkowy 12 2013CYKL KOMORKOWYCYKL KOMORKOWYK CYKL KOMORKOWYcykl komorkowy mala BK 13Cykl komorkowy,regulcja cyklu (2)0207 08 04 2009, wykład nr 7 , Cykl komórkowy Paul Eszwięcej podobnych podstron