Download - Genetika. Ćelijski ciklus. Seminarski rad
UNIVERZITET U SARAJEVU
PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET
ODSJEK ZA BIOLOGIJU
Seminarski rad iz predmeta: Genetika
Tema: STANIČNI CIKLUS, REGULATORI NAPREDOVANJA KROZ STANIČNI CIKLUS
Student: Milica Rajić Predmetni profesor: prof. dr. Hilada Nefić
Sarajevo, Maj 2013.
Stanični ciklus
Sadržaj
SADRŽAJ 2
UVOD 3
STANIČNI CIKLUS 4
FAZE STANIČNOG CIKLUSA 6PRESINTETIČKA FAZA ILI G1 PERIOD 6S-FAZA 6POSTSINTETIČKA ILI G2-FAZA 7M-FAZA (MITOZA) 7
REGULACIJA STANIČNOG CIKLUSA 9
KONTROLNE TAČKE STANIČNOG CIKLUSA 9OGRANIČAVANJE NA SAMO JEDNU REPLIKACIJU DNK TOKOM STANIČNOG CIKLUSA 10
REGULATORI NAPREDOVANJA STANICE KROZ STANIČNI CIKLUS 11
ZAKLJUČAK 13
LITERATURA 14
2
Stanični ciklus
Uvod
Tema 'Stanični ciklus, regulatori napredovanja kroz stanični ciklus' studentima omogućava,
ukoliko posvete dovoljno pažnje, da pobliže upoznaju suštinu ovoga svijeta. Jer da nema
staničnog ciklusa, mi danas ne bi ni postojali. On omogućava da od samo jedne ćelije nastane
njih mnogo, da nastanu višestanično oblici života, ali i naša planeta Zemlja, onakva kakvu je
danas vidimo.
Čitajući mnogu litetaturu, uvidjela sam da se većina stvari o samom tom procesu, staničnom
ciklusu, već zna. O njemu je već mnogo pisano, i istraženo, iako je to proces koji je moguće
pratiti samo putem mikroskopa, jer se odvija na molekularnom nivou. Pri izradi ovog
seminarskog koristila sam se sledećom literaturom: 'Stanica – Molekularni pristup', 'Funkcionalna
citologija', 'Praktikum iz genetike', kao i mnogu drugu stručnu literaturu. U mnogome mi je
pomogla i literatura sa interneta koja će biti navedena u okviru poglavlja literatura. Takođe,
zahvaljujući internetu, seminarski rad je oskrbljen sa slikama, šemama, i grafikonima, koji nam
omogućuju da bolje razumijemo ono što je riječima iskazano.
Ova tema, stanični ciklus, je usko vezana sa genetikom kao naukom. Razumjevanje nje nam
pomaže da razumijemo suštinu procesa koji imaju veze sa genetikom i nasljeđivanjem genetičkog
materijala. Jer sav 'protok informacija' započinje ovim procesom, kako u ćeliji, tako i u čitavom
organizmu.
Ovaj rad je podijeljen na više tematskih cjelina. U prvoj će biti više govora o staničnom ciklusu,
uopšteno, nakon toga će biti objašnjene pojedinačne faze ciklusa. Najveći dio seminarkog rada
govoriće o regulatorima staničnog ciklusa, koji su veoma bitni za normalnu diobu stanica.Rad će
biti objedinjen zaključkom koji će dati uvid na rad, objasniti neke lične stavove, na ovu temu, i
osvrnuti se na najvažnije činjenice.
3
Stanični ciklus
Stanični ciklus
Rast organizma je jedna od najvažnijih osobina. On je omogućen samoreprodukcijom stanice.
Sve se stanice razmnožavaju tako da se podijele na dvije, pa od svake roditeljske stanice nastaju
dvije kćerke stanice po završetku svakog ciklusa stanične diobe. Novonastale kćerke stanice
dalje same rastu i dijele se. To omogućava nastajanje mnoštva stanica, a sve proizlaze od jedne
roditeljske stanice.
Dioba svake stanice je regulisana i koordinirana sa staničnim rastom i replikacijom DNA da bi se
osiguralo nastajanje stanica potomaka. Te stanice moraju da sadržavaju neoštećene genome. Kod
eukariotske stanice, tok staničnog ciklusa kontrolira niz protein-kinaza koje su sastavni dio stanice
od kvasaca do sisara. Kod viših eukariota, stanični ciklus regulišu faktori rasta odgovorni za
staničnu proliferaciju tako da dioba po jedine stanice bude u skladu s potrebama organizma u
cjelini. Ali, pogreške u regulaciji staničnoga ciklusa vrlo su česte. To uzrokuje abnormalnu
proliferaciju u stanice raka. Iz tog razloga, studije o staničnom ciklusu i raku su usko povezane.
Iz toga možemo zaključiti da je: 'Ćelijski ciklus je period individualnog života ćelije i obuhvata
sve procese koji se odvijaju u ćelijama od momenta njenog nastanka diobom majke-ćelije do
momenta u kojem svojom diobom ostvaruje životne cikluse dvije nove ćelije ili do onog trenutka
kada podliježe procesima umiranja. Kontrola ćelijskog ciklusa određuje da li će ćelija nastaviti
ćelijski ciklus, rasti i dijeliti se, diferencirati se ili će preći u stanje mirovanja i prestati se dijeliti.'
(Nefić, 2008)
Diobeni ciklus stanica sastoji se od četiri međusobno povezanih procesa:
1. staničnoga rasta,
2. replikacije DNA,
3. raspodjele udvostručenih hromosoma kćerkama stanicama i
4. podjele stanica.
Ćelijski ciklus nije vremenski ograničen. Kod eukariota može trajati od nekoliko sati do nekoliko
mjeseci i godina. Te se stanični ciklus može podijeliti na dva osnovna dijela:
1. period interfaze i
4
Stanični ciklus
2. period ćelijske diobe (mitoza/mejoza) (Slika. 1).
Figure 1. Ćelijski ciklus: interfaza i mitoza1
Ćelijski ciklus eukariota se dijeli na 4 različite faze:
G1-fazu, S-fazu, G2-fazu i M-fazu. (Slika 2.)
1 http://www.biologija.rs/cellcycle.gif (4. maj 2013.)
5
Stanični ciklus
Figure 2. Četiri različote faze ćelijskog ciklusa2
Faze staničnog ciklusa
Tipičan eukariotski stanični ciklus koji se odvija približno svaka 24 sata možemo pratiti na
kulturi ljudskih stanica. Kao što se može vidjeti na slikama 1. i 2., i kao što je već napisano,
stanični ciklus čine dva osnovna dijela:
mitoza i
interfaza.
G1, G2, i S-faza čine interfazni dio ćeijskog ciklusa.
'Mitoza (dioba stanične jezgre) je najdramatični je razdoblje staničnog ciklusa u kojem se zbiva
odvajanje kromosoma stanica-kćeri i obično završava diobom stanice (citokineza). Međutim,
mitoza i citokineza traju samo oko jedan sat, a preostalo vrijeme, oko 95% staničnoga ciklusa
zauzima interfaza – razdoblje između dviju mitoza. Tijekom interfaze kromosomi su
dekondenzirani i raspoređeni po cijeloj jezgri, tako da ona morfološki izgleda jednolično. Na
molekularnoj razini interfaza je razdoblje u kojem se odvijaju i stanični rast i replikacija DNA
kako bi se stanica pripremila za diobu. Tijekom cijele interfaze stanica postupno i pravilno raste
te udvostručuje svoju veličinu, a DNA se sintetizira samo u jednom dijelu interfaze. štoviše,
sinteza DNA dijeli ciklus eukariotske stanice u četiri zasebne faze.' (Cooper & Hausman, 2004)
2 http://schoolworkhelper.net/wp-content/uploads/2010/11/cell_cycle.jpg (4. maj 2013.)
6
Stanični ciklus
G1, G2, i S-faza čine interfazni dio ćeijskog ciklusa. I u nastavku ovo rada biće detaljno obrađene.
Presintetička faza ili G1 period
G1 faza ili gap faza 1, je faza u koju ćelija ulazi neposredno poslije mitoze. Simbol G dolazi od
engleske riječi gap što znači razmak, praznina. Ova faza se odlikuje snažnom metaboličkom
aktivnošću i intezivnom sintezom proteina u citoplazmi. Ovi proteini pripremaju jedro da uđe u
S-fazu ćelijskog ciklusa. Trajanje ove faze varira ovisno o vrsti ćelije. Neke ćelije u ovoj fazi
ostaju samo par sati, dok druge ostanu po nekoliko godina, i samim tim trajanje staničnog ciklusa
zavisi isključivo od trajanja G1 faze. U ovoj fazi ćelije rastu, i spremaju se za ulazak u S-fazu.
S-faza S-faza ili sintetički period, je period u kome se dešava udvajanje, sinteza DNK. Od jedne DNK
molekule nastaju dvije molekule DNK. Iako broj hromosoma na kraju S-faze ostaje isti,
diploidan, količina genetičkog materijala se u njima duplirana. Na kraju ove faze hromosomi se
sastoje od dvije hromatide (svaka sadrži po jednu molekulu DNK), koje su spojene centromerom.
Postsintetička ili G2-faza
Postsintetička faza se još naziva i gap faza 2. Ona se dešava odmah nakon S-faze, i traje sve do
ulaska u M-fazu (mitozu). U ovoj fazi se ćelija priprema za diobu. U G2 dolazi do replikacije
centrosoma tako da svaki postojeći centriol inicira nastajanje jednog novog. I zahvaljući ovom
procesu u ćeliji nasrahz dva diplosoma sa po jednnim starim i jednim novim centriolom. Pred
sami početak mitoze, dva centrosoma se udaljavaju jedan od drugog. Ovo je najkraći dio
interfaze.
M-faza (mitoza)
M faza se dijeli u nekoliko faza: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza i telofaza (Slika 3.)3.
3 Cooper, G. M. (2004). Stanica: molekularni pristup. Zagreb: Medicinska naklada
7
Stanični ciklus
Profaza je početna faza mitoze. Hromatin postaje vidljiv pod svjetlosnim mikroskopom i
hromosomi se uočavaju u vidu dugih niti u klupku dok jedarce nestaje. Centriole počinju da se
kreću ka suprotnim polovima stanice, a niti građene od mikrotubula počinju da se pružaju od
centriola.
Pri kraju profaze od ovih niti formira se diobeno vreteno. Početak prometafaze predstavlja
razgradnja jedrove ovojnice. Za centromere se vezuju proteinske strukture gradeći kinetohore.
Hromosomi su jako kondenzovani i pojedinačno uočljivi.
U metafazi, mikrotubuli dovode hromosome u središte diobenog vretena, tzv. ekvatorijalnu
ravan.
Hromosomi su poredani tako da su njihove centromere tačno na ekvatorijalnoj ravni, dok su kraci
hromosoma okrenuti prema polovima. Ovakva organizacija osigurava da u idućoj fazi, kada se
hromozomi odvoje, svako novo jedro dobije po jednu kopiju svakog hromozoma.
U slijedećoj fazi, anafazi, dolazi do razdvajanja sestrinskih hromatida u regionu centromera i
njihovog kretanja ka suprotnim polovima ćelije. Kretanje hromatida je rezultat skraćivanja
kinetohornih, odnosno produžavanja polarnih mikrotubula koji dodatno udaljavaju polove ćelije.
Kada se sestrinske hromatide razdvoje, nazivamo ih hromosomima, koji su izgrađeni od jedne
dvostruke zavojnice DNK.
Tokom telofaze hromozomi stižu na suprotne polove ćelije. Počinje njihova dekondenzacija, te
oni ponovo izgledaju poput dugih, tankih niti. Nestaju niti diobenog vretena i formira se jedrova
ovojnica Citokineza također može započeti tokom ove faze.
Table 1. Dužina pojedinih faza ćelijskog ciklusa humanih ćelija u kulturi4
Interfaza Mitoza
G1-faza S-faza G2-faza Pro Met Ana Tel
5 sati 7 sati 3 sata 36 min 3 min 3 min 18 min
15 sati 1 sat
4 Nefić H. (2008). Praktikum iz genetike. Sarajevo: CEPOS
8
Stanični ciklus
Regulacija staničnog ciklusa
Kontrolne tačke staničnog ciklusa
Uloga kontrolnih tački jeste da reguliraju napredovanje kroz stanični ciklus u odnosu na veličinu
stanice i izvanstanične signale (faktori rasta i hranjive tvari). Kontrolne tačke ne dopuštaju ulaz u
slijedeću fazu staničnog ciklusa ako nisu izvršene radnje iz prethodne faze. Neke kontrolne tačke
osiguravaju replikaciju samo potpunih i neoštećenih hromozoma kao i njihovu predaju
stanicama-kćerkama. Uloga ovih tačaka jeste da otkrivaju nereplicirane ili oštećene DNK i
koordiniraju dalje napredovanje kroz stanični ciklus popravkom DNK ili dovršenjem replikacije.
U G2-fazi kontrolna tačka ne dopušta početak mitoze sve dok se ne obavi replikacija DNK.
Oštećenja koja se mogu javiti na DNK ne zaustavljaju stanični ciklus samo u G 2-fazi, već i na
Figure 3. Faze mitoze
9
Stanični ciklus
kontrolnim tačkama u G1 i S-fazi. Zaustavljanje
ciklusa potiču proteinski kompleksi koji se vežu
za oštećene DNK. Pored zaustavljanja ciklusa ovi
proteini imaju ulogu i u popravku oštećene DNK,
također nekad mogu voditi i do stanične smrti.
ATM i ATR su proteini koji se aktiviraju zbog
oštećenja DNK. U stanicama sisara zaustavljanje
na kontrolnoj tački u G1-fazi postiže se
djelovanjem proteina p53, kojeg fosforilira ATM i
Chk2. U staničnom ciklusu postoji još jedna
kontrolna tačka koja je smještena pri kraju mitoze.
U njoj se nadgleda raspoređivanje hromozoma u
diobenom vretenu, osiguravajući na taj način
precizan i ispravan raspored hromozoma u
stanice-kćerke.
Figure 4. Prikaz zastoja staničnog ciklusa5
Ograničavanje na samo jednu replikaciju DNK tokom staničnog ciklusa
5 Cooper, G. M. (2004). Stanica: molekularni pristup. Zagreb: Medicinska naklada
Figure 5. Učešće MCM proteina u ograničavanju replikacije DNK
10
Stanični ciklus
Kontrolna tačka u G2-fazi ne dopušta početak mitoze ako prije toga nije završena S-faza i na taj
način ne dopušta distribuciju nepotpuno replicirane DNK u stanice-kćeri. Jednako je važno da se
genom replicira samo jednom u okviru jednog staničnog ciklusa. Dakle, kad se jednom segment
DNK replicira u S-fazi, mora postojati kontrolni mehanizam koji bi spriječio ponovnu replikaciju
DNK za vrijeme dok stanica ne završi svoj ciklus i prođe kroz mitozu. Molekularni mehanizam
koji ograničava na samo jednu replikaciju DNK tokom cijelog staničnog ciklusa uključuje
djelovanje porodice proteina, koji su nazvani MCM proteini i koji se vežu za ishodište replikacije
zajedno s proteinima kompleksa ishodišta replikacije (ORC, engl. origin replication complex).
MCM proteini djeluju kao tzv. „faktori dopuštenja“ (engl. licensing factors) koji dopuštaju
početak replikacije. Slika 5.6 prikazuje učešće MCM proteina u ograničavanju replikacije DNK.
Njihovo vezanje za DNK je regulisano za vrijeme staničnog ciklusa tako da se proteini mogu
vezati za ishodište replikacije samo tokom G1 faze, dopuštajući inicijaciju replikacije DNK u
trenutku kad stanica uđe u S-fazu. Kad inicijacija jednom započne, MCM proteini se uklanjaju iz
ishodišta tako da replikacija ne može započeti još jednom toliko dugo dok stanica ne prođe kroz
mitozu i uđe u G1 fazu sljedećeg staničnog ciklusa. Protein-kinaze koje regulišu napredovanje
kroz stanični ciklus sprječavaju spajanje MCM proteina sa DNK tokom S, G2 i M faze staničnog
ciklusa uz pomoć različitih mehanizama.
Regulatori napredovanja stanice kroz stanični ciklus
Napredovanje stanice kroz stanični ciklus regulišu mnoge regulatorne molekule kao što su MPF
molekula, porodice ciklina i kinaza koje su ovisne o ciklinima, zatim postoje faktori rasta i ciklini
D-tipa koji stimulišu proliferaciju stanice. Kao što postoje regulatori napredovanja stanice kroz
stanični ciklus, isto tako postoje i inhibitori napredovanja.
Pomenuta MPF molekula je ključna molekula odgovorna za regulaciju prelaska iz G2 u M fazu
kod svih eukariota. MPF je dimer ciklina B i Cdc2 protein-kinaze. Određeni parovi ciklina i Cdc2
srodnih protein-kinaza regulišu napredovanje kroz različite faze staničnog ciklusa. Aktivnost Cdk
reguliše se spajanjem s ciklinima, aktivirajućom i inhibitornom fosforilacijom i vezanjem Cdk
inhibitora. Oštećenje DNK i različiti vanstanični signali inhibiraju napredovanje kroz stanični
ciklus. Ovi inhibicijski faktori često djeluju tako da induciraju sintezu Cdk-inhibitora.6 Cooper, G. M. (2004). Stanica: molekularni pristup. Zagreb: Medicinska naklada
11
Stanični ciklus
Događaji koji su pokrenuti MPF faktorom:
• kondenzaciju hromosoma (fosforilira histone H1);
• raspad jezgrine ovojnice;
• reorganizaciju mikrotubula u diobenom vretenu;
• raspad jezgrine lamine (fosforilacijom proteina lamina na a.k. serin).
Ukratko o regulatornim molekulama:
1. CIKLIN OVISNE KINAZE: (Cdk proteini) - fosforiliraju ciljne
proteine na serinu i treoninu
2. CIKLINI – vežu se za Cdk proteine i kontroliraju njihovu sposobnost da fosforiliraju ciljne
proteine; ime su dobili po tome što se tijekom st.ciklusa ciklički sintetiziraju i degradiraju; postoje G1 ciklini i mitotički ciklini. 2.1. G1 ciklini
• Vežu se za Cdk proteine za vrijeme G1 faze (startna kinaza);
• G1 kontrolna tačka;
• G1 ciklin+Cdk - potiče ulazak stanice u S fazu staničnog ciklusa.
2.2. Mitotički ciklin ili M-phase-promoting factor (MPF)
• čimbenik koji potiče mitozu
• kompleks mitotičkog ciklina i odgovarajuće Cdk molekule
• djeluje u G2 fazi i regulira ulazak stanice u mitozu
Kontrola staničnog ciklusa
• Cdk molekula se udružuje s različitim ciklinima kako bi se pokrenulo napredovanje staničnog ciklusa;
• aktivnost Cdk molekula prestaje degradacijom ciklina;
• ista Cdk molekula sudjeluje u obje kontrolne tačke.
12
Stanični ciklus
13
Stanični ciklus
Zaključak
Sam pojam staničnog ciklusa veoma zanimljiva tema, i radi te činjenice je veoma istraživana i o njoj je moguće pronaci dosta literature, koja svakom studentu, ukoliko posveti dovoljno vremena, može približiti naizgled komplikovane mehanizme staničnog ciklusa. I radi te činjenice ovaj seminarski rad ću zaključiti nekim osnovnim mislima koje su me vodile kroz rad.
Diobeni ciklus većine stanica sastoji se od četiriju međusobno povezanih procesa: staničnoga rasta, replikacije DNK, raspodjele udvostručenih hromosoma stanicama-kćerima i podjele stanica.
Kontrolne tačke reguliraju napredovanje kroz stanični ciklus u odnosu na veličinu stanice i izvanstanične signale, kao što su hranjive tvari i faktori rasta.
Napredovanje kroz faze staničnoga ciklusa kotroliraju regulatorni mehanizmi koji koordiniraju različite događaje u staničnom ciklusu.
Stanični ciklus je ciklus koji nam je omogućio život. Jer bez diobe stanice, i svih mehanizama staničnog ciklusa, danas ne bi ni mi postojali. I radi ovih činjenica, da sam stanični ciklus omogućava život, on je veoma istraživan i njemu je posvećeno dosta pažnje.
14
Stanični ciklus
Literatura
Cooper, G. M. (2004). Stanica: molekularni pristup. Zagreb: Medicinska naklada
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2007). Molecular Biology of
the Cell. Barcelona: Garland Publishing.
Hrnjičević, M. (1995). Funkcionala citologija. Sarajevo : Narodna i univerzitetska biblioteka
u BiH.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., at al (2000). Molecular cell biology. New York: W.H.
freeman
prof.dr. Hilada Nefić (2008) Praktikum iz genetike
ass. Belma Kalamujić (2013) Predavanja sa vježbi Molekularne biologije, vježba 5
Stanični ciklus (2013) from
http://www.medri.uniri.hr/katedre/Biologija/dsi/biologija/dokumenti/2012-13/
STANIcNI_CIKLUS.pdf
Stanični ciklus (2013) from http://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje
%202012_2013/6.%20STANICNI%20I%20ZIVOTNI%20CIKLUS.pdf
15