Cykl komórkowy

BIOLOGIA MEDYCZNA I GENETYKA ### Kierunek: FIZJOTERAPIA #### Prowadzący: Małgorzata Poździk ## Wykład 2: CYKL KOMÓRKOWY ### 1. Losy komórki

  • Niekorzystne warunki: Komórki wystawione na niekorzystne warunki, takie jak brak składników odżywczych, toksyny, uszkodzenia DNA lub ekstremalne temperatury, mogą nie podchodzić do podziałów. Mogą wówczas ulec zatrzymaniu cyklu komórkowego, wejść w stan spoczynku lub aktywować mechanizmy śmierci komórkowej.
  • Brak czynników wzrostowych: Brak sygnałów z otoczenia, dostarczanych przez czynniki wzrostowe, które wiążą się z receptorami na powierzchni komórki i inicjują kaskady sygnałowe, znacząco wpływa na zdolność komórki do proliferacji (dzielenia się).
  • Komórki dzielące się (ang. proliferating cell): Te, które aktywnie kontynuują cykl komórkowy, są odpowiedzialne za wzrost, rozwój organizmu, naprawę tkanek i odnowę komórkową (np. komórki macierzyste, komórki nabłonkowe, komórki embrionalne).
  • Komórki zróżnicowane (ang. differentiated cell): Stabilne komórki, które osiągnęły swoje specyficzne funkcjonalne i strukturalne charakterystyki. Wiele z nich (np. neurony, dojrzałe miocyty) traci zdolność do podziału i wchodzi w trwały stan G0, stając się komórkami terminalnie zróżnicowanymi.
  • Komórka w stanie spoczynku (ang. quiescent cell - faza G0): Komórka, która nie dzieli się, ale ma zdolność do przejścia do podziału, gdy warunki środowiskowe są korzystne i otrzyma odpowiednie czynniki wzrostowe. Jest to aktywny stan metaboliczny, różny od śmierci komórkowej (np. hepatocyty, limfocyty).
  • Mechanizmy śmierci komórkowej:
    • Nekroza: Jest to niekontrolowana śmierć komórki, wynikająca z poważnych uszkodzeń (np. urazu, niedotlenienia). Charakteryzuje się pęcznieniem komórki, rozerwaniem błony komórkowej i uwolnieniem zawartości cytoplazmy do przestrzeni międzykomórkowej, co inicjuje silną reakcję zapalną.
    • Apoptoza: Programowana śmierć komórkowa. Jest to proces wysoce uporządkowany i regulowany, charakteryzujący się kondensacją chromatyny, fragmentacją DNA, obkurczeniem komórki i podziałem na pęcherzyki apoptotyczne, które są następnie fagocytowane bez wywoływania zapalenia. Kluczową rolę odgrywają w nim kaspazy.
  • Komórka zestarzała (ang. senescent cell): Komórka, która straciła zdolność do dzielenia się (na przykład z powodu skrócenia telomerów, uszkodzeń DNA lub nadmiernej stymulacji mitogennej), ale pozostaje metabolicznie aktywna. Komórki takie mogą wydzielać liczne cytokiny i czynniki wzrostowe, wpływając na otaczające tkanki (tzw. SASP – senescence-associated secretory phenotype).
2. Fazy cyklu życiowego komórki eukariotycznej
  • Faza G1 (G - gap - przerwa):
    • Intensywny anabolizm komórki – synteza białek, RNA, lipidów i węglowodanów, które są niezbędne do wzrostu komórki i podwojenia jej masy przed replikacją DNA i podziałem.
    • Wzrost ilości makrocząsteczek (białka, RNA, itd.).
    • Wzrost masy i objętości komórki.
    • Synteza cyklin D, E i C (cyklina A rozpoczyna syntezę pod koniec G1).
    • Długość fazy G1: od kilku do kilkunastu godzin, jest najbardziej zmienną fazą cyklu.
    • W późnej fazie G1 znajduje się punkt restrykcyjny R1 (kontrolny), nazywany również punktem START u drożdży, w którym komórka irreversibly commits do podziału. Sprawdzany jest tu materiał genetyczny (pod kątem uszkodzeń), obecność czynników wzrostowych, dostępność składników odżywczych oraz odpowiednia wielkość komórki. Naprawy uszkodzeń DNA są priorytetem.
  • Faza S (Synthesis):
    • Faza syntezy DNA – następuje replikacja materiału genetycznego w sposób semikonserwatywny, prowadząca do podwojenia ilości DNA i powstania dwóch siostrzanych chromatyd w każdym chromosomie. Intensywna synteza histonów w celu spakowania nowo zsyntetyzowanego DNA.
    • Czas trwania: stała długość, u ssaków wynosi około 7 godzin.
    • Rozpoczyna się synteza cykliny B, która osiągnie aktywność w fazie M.
  • Faza G2:
    • Faza przerwy w syntezie DNA, przygotowująca do podziału mitotycznego.
    • Nadprodukcja składników do odtworzenia błony komórkowej w późnych etapach podziału oraz synteza tubuliny niezbędnej do budowy wrzeciona mitotycznego.
    • Aktywacja kinazy białkowej CDK1 (kompleks Cyclin B-CDK1, znany jako MPF – Maturation-Promoting Factor), która poprzez fosforylację białek, takich jak kondensyny i histony, wpływa na stopniową kondensację chromosomów oraz inicjuje składanie wrzeciona mitotycznego i rozpad otoczki jądrowej.
    • Czas trwania: 3-4 godziny.
    • W fazie G2 obecny jest drugi punkt restrykcyjny R2 (punkt kontrolny G2/M), kontrolujący ukończenie replikacji DNA, naprawę ewentualnych uszkodzeń oraz prawidłową kondensację chromosomów przed wejściem w mitozę.
  • Faza M (Mitoza):
    • Rozdzielenie siostrzanych chromatyd do komórek potomnych i podział całej komórki (cytokineza).
    • Mitoza zachodzi w kilku etapach:
    1. Profaza: Chromosomy zaczynają się kondensować i stają się widoczne pod mikroskopem. Centrosomy rozchodzą się do przeciwnych biegunów komórki, tworząc wrzeciono mitotyczne. Pod koniec profazy (w promotafazie) następuje rozpad otoczki jądrowej.
    2. Metafaza: Chromosomy osiągają maksymalną kondensację i układają się wzdłuż płaszczyzny równikowej (płyty metafazowej) komórki. Mikrotubule wrzeciona mitotycznego przyłączają się do kinetochorów każdego chromosomu. Punkt kontrolny metafazowy (spindle checkpoint) sprawdza prawidłowość przyłączenia wszystkich chromosomów do wrzeciona.
    3. Anafaza: Siostrzane chromatydy rozdzielają się na skutek degradacji kohezyn. Przemieszczają się do przeciwnych biegunów komórki dzięki skracaniu mikrotubul kinetochorowych (anafaza A) oraz oddalaniu się biegunów wrzeciona (anafaza B).
    4. Telofaza: Chromosomy, już na swoich biegunach, zaczynają dekondensować. Odtwarzana jest otoczka jądrowa wokół każdej z dwóch gromad chromosomów, tworząc dwa nowe jądra.
    • Podział cytoplazmy to cytokineza, która zazwyczaj rozpoczyna się już w anafazie i kończy proces mitozy, dzieląc komórkę na dwie identyczne komórki potomne (u zwierząt przez pierścień kurczliwy, u roślin przez płytkę komórkową).
3. Gra w życie
  • Opis: Gra w życie (ang. Game of Life) stworzona przez Johna Hortona Conwaya w 1970 roku jest przykładem automatu komórkowego, w którym nowe stany komórek (żywe/martwe) zależą od ich obecnych stanów i stanów ich sąsiadów. Jest to bezgraczowa gra symulacyjna, która generuje złożone, ewoluujące wzorce na podstawie prostych reguł.
  • Mechanika:
    • Gra rozgrywa się na siatce kwadratowych komórek, z których każda może być martwa lub żywa.
    • Ewolucja komórek następuje zgodnie z czterema prostymi regułami, które określają, czy komórka przeżyje, umrze (z powodu niedostatecznej liczby sąsiadów – osamotnienie, lub nadmiernej liczby – zatłoczenie) lub narodzi się nowa komórka. Złożone struktury mogą się tworzyć, rozwijać, przemieszczać (tzw. glider'y) lub umierać.
  • Zastosowanie: Technika automatu komórkowego stosowana jest w symulacjach komputerowych w różnych dziedzinach, od fizyki po biologię i sztuczną inteligencję, do modelowania złożonych systemów.
4. Kontrola cyklu komórkowego
  • Komórki nie podejmują niezależnych decyzji o podziałach; decyzje są ściśle regulowane i wspomagane przez sygnały z otaczających komórek oraz wewnętrzne mechanizmy regulujące, zapewniające integralność genetyczną i prawidłowe funkcjonowanie organizmu.
  • Czynniki wzrostowe: Wydzielane przez otaczające komórki, takie jak czynniki wzrostu naskórka (EGF) czy płytkowe czynniki wzrostu (PDGF), łączą się z receptorami na powierzchni komórki docelowej. Uruchamiają one wewnątrzkomórkowe kaskady sygnałowe (np. poprzez szlak MAPK), co prowadzi do aktywacji specyficznych genów, których produkty białkowe są niezbędne do przejścia do następnych faz cyklu komórkowego, zwłaszcza aktywacji cyklin.
  • Regulacja cyklu komórkowego: Odbywa się głównie w krytycznych punktach restrykcyjnych (kontrolnych), które działają jak bramy, nie pozwalając na przejście do następnej fazy, jeśli poprzednia nie została ukończona prawidłowo lub warunki środowiskowe nie są sprzyjające. Proces ten jest ściśle oparty na dynamicznych kaskadach fosforylacji i defosforylacji białek regulatorowych.
5. Regulacja poprzez kinazy białkowe:
  • Fosforylacja: Kluczowy mechanizm regulacji aktywności białek. Polega na przeniesieniu grupy fosforanowej z ATP na specyficzne reszty aminokwasowe (serynę, treoninę, tyrozynę) białek docelowych. Proces ten jest katalizowany przez kinazy białkowe i często prowadzi do zmiany konformacji białka, aktywując je lub inaktywując, lub zmieniając jego interakcje z innymi białkami.
  • Defosforylacja: Proces odwrotny do fosforylacji, polegający na usunięciu grupy fosforanowej z białka. Jest on realizowany przez fosfatazy białkowe i służy przywróceniu białka do wcześniejszego stanu lub zmianie jego aktywności.
  • Kontrolery cyklu komórkowego:
    • Kinazy białkowe zależne od cyklin (CDK – Cyclin-Dependent Kinases) to rdzeniowe enzymy regulujące cykl komórkowy. Są one aktywne tylko po przyłączeniu specyficznych białek regulatorowych, zwanych cyklinami (A, B, C, D, E), tworząc kompleks cyklina-CDK.
    • Różne cykliny, których synteza i degradacja są ściśle regulowane w poszczególnych fazach cyklu, mają różne działanie i kierują aktywnością specyficznych CDK w określonych fazach cyklu:
    • Cyklina D aktywuje CDK4 i CDK6, regulując przejście przez wczesną i środkową fazę G1.
    • Cyklina E aktywuje CDK2, niezbędną do przejścia z G1 do S.
    • Cyklina A aktywuje CDK2 w fazie S (inicjacja replikacji) i CDK1 w fazie G2 (udział w przygotowaniu do mitozy).
    • Cyklina B aktywuje CDK1, tworząc kompleks MPF, który jest kluczowy dla wejścia komórki w mitozę (z fazy G2 do M).
    • Prawidłowa sekwencja aktywacji i inaktywacji tych kompleksów cyklina-CDK jest fundamentalna dla precyzyjnego przebiegu cyklu komórkowego.
  • Punkty kontrolne G1 i G2: Są one kluczowe dla regulacji cyklu komórkowego. Punkt G1 (R1) ocenia gotowość komórki do podziału, natomiast punkt G2 (R2) sprawdza kompletność replikacji DNA, jego integralność oraz to, czy komórki są wystarczająco duże i przygotowane do podziału mitotycznego. Ich prawidłowe działanie zapobiega przekazywaniu uszkodzeń genetycznych do komórek potomnych.
6. Inhibitory kinaz białkowych:
  • Rodzaje: Istnieją różne rodziny inhibitorów kinaz zależnych od cyklin (CKI – Cyclin-Dependent Kinase Inhibitors), do których należą białka takie jak p21, p16, p27, oraz białka transkrypcyjne takie jak p53, które pośrednio reguluje aktywność innych inhibitorów.
    • p21 (CDKN1A) i p27 (CDKN1B) należą do rodziny Cip/Kip. Działają poprzez bezpośrednie wiązanie się z kompleksami cyklina-CDK (np. cyklina E-CDK2, cyklina D-CDK4/6), blokując ich aktywność. Wzrost poziomu p21 często jest indukowany przez białko p53 w odpowiedzi na uszkodzenie DNA, prowadząc do zatrzymania cyklu w G1.
    • p16 (CDKN2A) należy do rodziny INK4. Specyficznie hamuje aktywność kompleksów CDK4 i CDK6 (np. z cykliną D), co prowadzi do zatrzymania cyklu komórkowego w fazie G1. p16 jest ważnym supresorem nowotworowym.
  • Inhibitory te odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu integralności genomu oraz w zapobieganiu niekontrolowanej proliferacji. Blokują aktywność kompleksów cyklina-CDK, co prowadzi do zatrzymania cyklu komórkowego w odpowiednich punktach kontrolnych, umożliwiając naprawę uszkodzeń DNA lub inicjując apoptozę w przypadku nieodwracalnych uszkodzeń.
7. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
  • Wykład kończy się podziękowaniem dla słuchaczy, a także zawiera odnośniki do dodatkowych materiałów edukacyjnych.