§ 16. Клетачны цыкл. Рэплікацыя ДНК

Клетачны цыкл. Усе новыя клеткі ўтвараюцца шляхам дзялення ўжо існуючых. Гэты прынцып, як ужо адзначалася, сфармуляваў Р. Вірхаў яшчэ ў сярэдзіне XIX ст. Дзяленне клетак забяспечвае бесперапыннасць існавання жыцця на нашай планеце. Менавіта дзякую­чы яму ажыццяўляюцца розныя спосабы бясполага і палавога размнажэння арганізмаў. У аснове працэсаў росту, рэгенерацыі і індывідуальнага развіцця мнагаклетачных арганізмаў таксама ляжыць дзяленне клетак.

Перыяд існавання клеткі ад моманту яе ўтварэння з мацярынскай клеткі да ўласнага дзялення (уключаючы гэта дзяленне) ці гібелі называецца клетачным цыклам.

Працягласць клетачнага цыкла ў розных арганізмаў і розных клетак, якія складаюць адзін арганізм, вар’іруе. Так, у бактэрый у спрыяль­ных умовах ён доўжыцца прыкладна 20 мін. Кароткія клетачныя цыклы (30—60 мін) характэрны для бластамераў рыб і земнаводных на этапе драблення, у той час як у млекакормячых прамежак часу паміж дзяленнямі бластамераў можа дасягаць 10 гадзін і больш. У дарослых мышэй клеткі кішэчнага эпітэлію дзеляцца кожныя 11—22 гадзіны, а рагавіцы вока — прыблізна адзін раз у трое сутак. Для клетак мнагаклетачных арганізмаў, якія дзеляцца рэгулярна, працягласць клетачнага цыкла звычайна складае 12—36 гадзін.

Клетачны цыкл складаецца з інтэрфазы і дзялення клеткі (мал. 16.1). Інтэрфаза — гэта частка клетачнага цыкла паміж двума паслядоўнымі дзяленнямі. Як правіла, яна займае больш часу, чым само дзяленне. Разгледзім асноўныя перыяды інтэрфазы на прыкладзе эўкарыятычнай клеткі.

Прэсінтэтычны, ці G₁-перыяд (ад англ. gap — прамежак), пачынаецца з моманту ўтварэння новай клеткі ў выніку дзялення мацярынскай. Звычайна гэта самы працяглы перыяд інтэрфазы і клетачнага цыкла ў цэлым. На працягу G₁-перыяду маладая клет­ка інтэнсіўна расце, у ёй павялічваецца колькасць арганоідаў і сінтэзуюцца розныя злучэнні, неабходныя для працякання працэсаў жыццядзейнасці. У тым ліку ўтвараюцца рэчывы, якія будуць патрэбныя для наступнага падваення малекул ДНК.

Вы ўжо ведаеце, што набор храмасом абазначаюць як n: напрыклад, 1n — гаплоідны набор, 2n — дыплоідны. Набор малекул ДНК у клетках прынята запісваць з дапамогай літары с. З § 14 вам вядома, што кожная храматыда змяшчае адну малекулу ДНК, г. зн. колькасць малекул ДНК і храматыд у саставе храмасом заўсёды супадае. Такім чынам, запісы тыпу 1с, 2с, 4с адлюстроўваюць утрыманне ў клетках не толькі малекул ДНК, але і адпаведных храматыд.

У прэсінтэтычным перыядзе кожная храмасома складаецца з адной храматыды. Такім чынам, у G₁-перыядзе лік храмасом (n) і храматыд (с) у клетцы аднолькавы. Набор храмасом і храматыд дыплоіднай клеткі ў G₁-перыядзе клетачнага цыкла можна адлюстраваць запісам 2n2c.

У сінтэтычным, ці S-перыядзе (ад англ. synthesis — сінтэз), адбываецца падваенне малекул ДНК — рэплікацыя, а таксама падваенне цэнтрыёлей клетачнага цэнтра (у тых клетках, дзе ён ёсць). Пасля завяршэння рэплікацыі кожная храмасома складаецца ўжо з дзвюх ідэнтычных сястрынскіх храматыд, якія злучаны адна з адной у вобласці цэнтрамеры. Колькасць храматыд у кожнай пары гамалагічных храмасом становіцца роўнай чатыром. Такім чынам, набор храмасом і храматыд дыплоіднай клеткі ў канцы S-перыяду (г. зн. пасля рэплікацыі) адлюстроўваецца запісам  2n4c.

Постсінтэтычны, ці G₂-перыяд, працягваецца ад заканчэння сінтэзу ДНК (рэплікацыі) да пачатку дзялення клеткі. У гэты час клетка актыўна запасае энергію і сінтэзуе бялкі для дзялення, якое адбудзецца пазней (напрыклад, бялок тубулін для пабудовы мікратрубачак, якія пасля ўтвараюць верацяно дзялення). На працягу ўсяго G₂-перыяду набор храмасом і храматыд у клетцы застаецца нязменным — 2n4c.

Такім чынам, інтэрфаза звычайна ўключае тры перыяды: прэсінтэтычны (G₁), сінтэтычны (S) і постсінтэтычны (G₂). На працягу ўсёй інтэрфазы храмасомы не спіралізаваны. Яны размяшчаюцца ў ядры клеткі ў выглядзе храмаціну.

Пасля завяршэння інтэрфазы пачынаецца дзяленне клеткі. Асноўным спосабам дзялення клетак эўкарыёт з’яўляецца мітоз, таму дадзены этап клетачнага цыкла абазначаюць як М-перыяд. Пры мітозе адбываецца спіралізацыя храмаціну. Гэта прыводзіць да фарміравання кампактных двухраматыдных храмасом. Пасля гэтага сястрынскія храматыды кожнай храмасомы аддзяляюцца адна ад адной і затым трапляюць у розныя даччыныя клеткі. Значыць, даччыныя клеткі, якія ўтварыліся ў выніку мітозу і ўступілі ў новы клетачны цыкл, маюць набор  2n2c.

Абагульненая інфармацыя аб асноўных перыядах клетачнага цыкла прадстаўлена ў табліцы 16.1.

Табліца 16.1. Асноўныя перыяды клетачнага цыкла

Некаторыя клеткі мнагаклетачных арганізмаў, якія ўтварыліся пры мітозе, праходзяць далей G₁-, S- і G₂-перыяды інтэрфазы і зноў уступаюць у мітоз. Гэта характэрна, напрыклад, для клетак покрыўных эпітэліяў (растковага слоя эпідэрмісу скуры, эпітэлію страўнікава-кішэчнага тракту і інш.), чырвонага касцявога мозгу, утваральных тканак раслін.

У адрозненне ад іх многія клеткі пасля праходжання часткі G₁-перыяду ўступаюць у так званы перыяд спакою, ці G₀-перыяд. Клеткі, якія знаходзяцца ў G₀-перыядзе, выконваюць свае функцыі ў арганізме, аднак у іх не адбываецца падрыхтоўкі да рэплікацыі. Гэта ўласціва, перш за ўсё, высокаспецыялізаваным клеткам — нейронам, клеткам сардэчнай мышцы, хрусталіка вока і інш. Такія клеткі, як правіла, назаўсёды губляюць здольнасць да дзялення.

Аднак некаторыя клеткі, якія знаходзяцца ў G₀-перыядзе (напрыклад, клеткі печані, эндакрынных залоз, лейкацыты), захоўваюць здольнасць да выхаду з перыяду спакою, працягу клетачнага цыкла і наступнага дзялення. Такая з’ява назіраецца, напрыклад, пры пашкоджанні органа, у склад якога дадзеныя клеткі ўваходзяць.

Рэплікацыя ДНК. Успомнім, што падваенне малекул ДНК, якое ажыццяўляецца ў сінтэтычным (S) перыядзе клетачнага цыкла, называецца рэплікацыяй. *Пасля адкрыцця Д. Уотсанам і Ф. Крыкам структуры малекулы ДНК было прадстаўлена некалькі гіпотэз пра магчымы механізм працякання гэтага працэсу (мал. 16.2).

Паводле гіпотэзы кансерватыўнай рэплікацыі двухланцуговая мацярынская малекула ДНК як адно цэлае служыць матрыцай для ўтварэння даччынай малекулы, што складаецца з двух зусім новых ланцугоў. Паўкансерватыўны механізм рэплікацыі прадугледжвае раздзяленне ланцугоў зыходнай малекулы ДНК. Пры гэтым кожны мацярынскі ланцуг з'яўляецца матрыцай для сінтэзу даччынага ланцуга. Такім чынам, пры рэплікацыі ўтвараюцца дзве малекулы ДНК, кожная з якіх уключае адзін мацярынскі ланцуг і адзін новы — даччыны. Гіпотэза дысперснай рэплікацыі сцвярджало, што мацярынска ДНК распадаецца на фрагменты, якія выступаюць у ролі матрыц для пабудовы асобных участкаў новых малекул. Утвораныя такім спосабам малекулы ДНК павінны складацца з чаргавання фрагментаў зыходнай малекулы і толькі што сінтэзаваных.

У 1958 г. амерыканскія біёлагі М. Мезельсон і Ф. Сталь правялі эксперыментальную праверку гэтых гіпотэз. На працягу некалькіх пакаленняў яны вырошчвалі бактэрыі (а менавіта кішэчную палачку) у пажыўным асяроддзі, што змяшчала «цяжкі» азот ¹⁵N. За гэты час ¹⁵N увайшоў у састаў бактэрыяльных малекул ДНК. Далей бактэрыі былі перанесены ў асяроддзе, якое змяшчала ізатоп ¹⁴N. Такім чынам, у састаў толькі што сінтэзаваных ланцугоў ДНК уключаўся ўжо «лёгкі» азот. З бактэрыяльных клетак новых пакаленняў, якія ўтварыліся ў асяроддзі з ¹⁴N, вылучалі ДНК і цэнтрыфугавалі ў градыенце шчыльнасці хларыду цэзію (мал. 16.3).

Высветлілася, што ДНК даччыных клетак першага пакалення мела шчыльнасць, сярэднюю паміж шчыльнасцю «лёгкай» ДНК, якая змяшчае толькі ¹⁴N, і «цяжкай», якая ўключае толькі ¹⁵N. Гэта значыць, што  такая «гібрыдная» ДНК змяшчала адначасова ¹⁴N і ¹⁵N. Гэта супярэчыла гіпотэзе пра кансерватыўны механізм рэплікацыі, згодна з якой ДНК павінна была падзяліцца на дзве фракцыі — «лёгкую» і «цяжкую».

ДНК, выдзеленая з клетак другога пакалення, падзялялася на «лёгкую» і «гібрыдную». Гэты факт цалкам адпавядаў гіпотэзе паўкансерватыўнай рэплікацыі і дазволіў выключыць дысперсны механізм падваення ДНК, паводле якога шчыльнасць ДНК другога пакалення бактэрый павінна быць сярэдняй паміж «лёгкай» і «гібрыднай». Такім чынам быў даказаны паўкансерватыўны механізм рэплікацыі ДНК.

*Да цяперашняга часу вядома, што ў ажыццяўленні рэплікацыі прымае ўдзел цэлы комплекс ферментаў. Таксама вядома, што гэты працэс пачынаецца ў строга вызначаных участках малекулы ДНК — так званых пунктах пачатку рэплікацыі. Бактэрыяльная храмасома, як правіла, мае адзін такі пункт. У ядзерных арганізмаў кожная малекула ДНК (храмасома) змяшчае мноства пунктаў пачатку рэплікацыі. Такім чынам, у эўкарыёт працэс рэплікацыі адначасова працякае на многіх участках адной і той жа храмасомы. Гэта значна скарачае час падваення малекул ДНК.

Працэс рэплікацыі ДНК падзяляюць на тры этапы: ініцыяцыю, элангацыю і тэрмінацыю.

1. Ініцыяцыя (запуск). Асаблівыя ферменты пачынаюць раскручваць малекулу ДНК ад пункта пачатку рэплікацыі. Затым фермент хеліказа раз'ядноўвае ланцугі зыходнай мацярынскай малекулы, разрываючы вадародныя сувязі паміж камплементарнымі азоцістымі асновамі. Пры гэтым два ланцугі разыходзяцца пад пэўным вуглом і ўтвараюць так званую рэплікацыйную вілку, якая нагадваае літару Y (мал. 16.4). Хеліказа, падобна да бегунка зашпількі «маланка», рухаецца ўздоўж малекулы ДНК, падзяляючы камплементарныя ланцугі. Гэта суправаджаецца перамяшчэннем рэплікацыйнай вілкі і, вобразна кажучы, расшпільваннем «маланкі». Далей з ланцугамі,  якія разышліся,  звязваюцца малекулы ДНК-полімеразы — галоўнага ферменту рэплікацыі.

2. Элангацыя (падаўжэнне, нарошчванне даччыных ланцугоў ДНК). Малекулы ДНК-полімеразы пачынаюць рухацца ўздоўж мацярынскіх ланцугоў, выкарыстоўваючы іх у якасці матрыц для пабудовы новых даччыных ланцугоў. Гэта значыць, што ў даччыныя ланцугі ДНК, якія растуць, уключаюцца толькі тыя нуклеатыды, якія камплементарныя адпаведным нуклеатыдам мацярынскіх ланцугоў. Таму рэплікацыю залічваюць да рэакцый матрычнага сінтэзу.

Трэба адзначыць, што ў працэсе рэплікацыі матэрыялам для сінтэзу даччыных ланцугоў ДНК з'яўляюцца не нуклеатыды самі па сабе, а нуклеазідтрыфасфаты. Ад звычайных нуклеатыдаў іх адрознівае наяўнасць трох астаткаў фосфарнай кіслаты (як у малекуле АТФ) замест аднаго. Сувязі паміж гэтымі астаткамі з'яўляюцца макраэргічнымі. Такім чынам, нуклеазідтрыфасфаты — злучэнні, багатыя энергіяй. У працэсе іх далучэння да даччыных ланцугоў ДНК, якія растуць, адбываецца адшчапленне дзвюх «лішніх» астаткаў фосфарнай кіслаты. У выніку вылучаецца энергія, якая выкарыстоўваецца для працякання рэакцыі (г. зн. для ўтварэння фосфаэфірных сувязей), і нуклеазідтрыфасфаты становяцца стандартнымі нуклеатыдамі новых ланцугоў ДНК.

Асаблівасць ДНК-полімеразы складаецца ў тым, што яна можа рухацца ўздоўж існуючага ланцуга ДНК толькі ў напрамку 3' → 5'. Пры гэтым нарошчванне даччынага ланцуга заўсёды адбываецца антыпаралельна: ад 5'-канца да 3'-канца (г. зн. новыя нуклеатыды дабаўляюцца да 3'-канца сінтэзаванага ланцуга). Напрыклад, калі ўчастак мацярынскага ланцуга ДНК змяшчае паслядоўнасць нуклеатыдаў 3'ГТАЦАГ5', то пры нарошчванні адпаведнага яму ўчастка даччынага ланцуга нуклеатыды будуць далучацца ў наступным парадку: 5'ЦАТГТЦ3'.

Здольнасць ДНК-полімеразы да перамяшчэння ўздоўж ланцуга ДНК толькі ў адным напрамку прыводзіць да наступнага. Уздоўж аднаго мацярынскага ланцуга (таго, у якога напрамак 3' → 5' супадае з напрамкам перамяшчэння рэплікацыйнай вілкі) фермент рухаецца бесперапынна. Даччыны ланцуг ДНК, які пры гэтым сінтэзуецца, называецца лідзіруючым ці вядучым (мал. 16.5).

У той жа час рух ДНК-полімеразы, якая працуе над стварэннем іншага даччынага ланцуга, не можа быць бесперапынным. Па меры зрушвання рэплікацыйнай вілкі фермент «забягае наперад» і потым, вяртаючыся назад, сінтэзуе новы ланцуг асобнымі фрагментамі. У гонар першаадкрывальнікаў — мужа і жонкі Р. і Ц. Аказáкі — гэтыя ўчасткі называюць фрагментамі Аказáкі. Такім чынам, другі даччыны ланцуг будуецца перарывіста з істотным адставаннем ад ланцуга, які лідзіруе. Таму дадзены ланцуг атрымаў назву адстаючага ці спазняльнага. Пасля фрагменты адстаючага ланцуга сшывае адзін з адным фермент ДНК-лігаза.*

*3. Тэрмінацыя (спыненне). Калі рэплікацыйная вілка дасягае суседняга ўчастка ДНК, на якім таксама ажыццяўлялася рэплікацыя, ферменты завяршаюць сваю работу.* У выніку рэплікацыі ўтвараюцца дзве малекулы ДНК, ідэнтычныя адна адной і зыходнай мацярынскай малекуле. У склад кожнай з іх уваходзіць адзін ланцуг мацярынскай малекулы ДНК і адзін толькі што сінтэзаваны даччыны ланцуг.