Mechanizm podwajania się DNA

Mechanizm podwajania się DNA wiąże się ze strukturą ich cząsteczek. Jak wiadomo, w podwójnej spirali DNA naprzeciw tyminy należącej do jednego łańcucha polinukleotydowego leży zawsze adenina drugiego łańcucha, zaś naprzeciwko guaniny – cytozyna. W trakcie syntezy DNA następuje oddzielenie się obu tych łańcuchów, a następnie każdy z nich służąc za matrycę odtwarza nowy łańcuch dopełniający. W ten sposób z dwu łańcuchów polinukleotydowychpo wstają cztery łańcuchy, w których zawsze adenina nowego łańcucha leży naprzeciw tyminy, cytozyna naprzeciw guaniny i odwrotnie. Taylor używając związków radioaktywnych wykazał, że powstałe w wyniku tego procesu podwójne spirale zbudowane są w połowie z nowo zsyntetyzowanego łańcucha polinukleotydowego.

Opisany powyżej przebieg podziału komórki jest typowy dla komórek zwierzęcych. Mitoza w komórkach roślinnych przebiega podobnie, lecz inny jest mechanizm powstawania błony rozdzielającej komórki potomne. W komórkach zwierzęcych błona ta powstaje w wyniku pogłębiającego się wpuklania plazmałemmy w płaszczyźnie równikowej wrzeciona podziałowego, natomiast w komórkach roślinnych błona rozdzielająca jest syntetyzowana na nowo. W płaszczyźnie równika wrzeciona tworzy się najpierw cienka błonka zwana fragmoplastem, na której komórki potomne odkładają następnie warstwy błonnika. W tworzeniu fragmoplastu biorą udział środkowe części wrzeciona kariokinetycznego.

Szczegółowy opis przebiegu zmian aktywności metabolicznej dzielących się komórek, jak również opis mechanizmów decydujących o podziale komórki pomijamy tutaj, gdyż wykraczałby on poza ramy tego podręcznika. Zagadnienia te są przedmiotem badań biochemii i cytofizjologii. Zatrzymajmy się jednak nieco na strukturze i funkcjach wrzeciona kariokinetycznego. Wiadomo było od dawna, dzięki obserwacjom przeprowadzanym za pomocą mikromanipulatorów, że wrzeciono kario- kinetyczne ma konsystencję żelu.

W łatach pięćdziesiątych Mazia, używając słabych detergentów rozpuszczających plazmalemmę i cytoplazmę, wyizolował wrzeciono z dzielących się jaj jeżowców. Umożliwiło to przeprowadzenie analizy chemicznej składu wrzeciona i stwierdzenie, że zbudowane jest ono w ok. 90-95% z białka, prawdopodobnie jednego typu, i z 3-5% kwasów rybonukleinowych. Studia za pomocą mikroskopu elektronowego wykazały, że są to białka fibrylarne, których cząsteczki są zorientowane wzdłuż osi wrzeciona biegnących do centrioli. Pewne dowody wskazują, że cząsteczki białek, tworząc wrzeciono, łączą się ze sobą mostkami siarkowymi (-S-S-). Hoffman- -Berling zaobserwował, że jeśli przeprowadza się za pomocą gliceryny ekstrakcję komórek rozpoczynających podział, to chociaż wrzeciono pozostaje nie uszkodzone, nie następuje wędrówka chromosomów siostrzanych do biegunów. Jednakże dodanie do takich ekstrahowanych gliceryną komórek kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP) wywoływało kurczenie się włókienek wrzeciona i wędrówkę chromosomów do biegunów. Proces kurczenia się włókien wrzeciona w tym doświadczeniu imitował zjawisko zachodzące w prawidłowo dzielących się komórkach podczas anafazy. Stwierdzono także, że białka budujące wrzeciono, podobnie jak białka kurczliwe izolowane z mięśni, wykazują aktywność ATP-azy, rozszczepiając cząsteczki ATP na ADP i resztę kwasu ortofosforowego.

Mechanizmy zjawisk odpowiedzialnych za inne stadia podziału nie są jeszcze ostatecznie wyjaśnione, natomiast wiadomo już stosunkowo dużo o czynnikach wpływających na aktywność podziałową komórek. Większość organizmów jednokomórkowych i komórek izolowanych z tkanek zwierząt wielokomórkowych w korzystnych warunkach środowiskowych wykazuje trwałą aktywność podziałową, a ich okresy interfazy i podziału występują cyklicznie po sobie.

Podziały komórkowe są w pewnym stopniu uzależnione od wzrostu komórek, bowiem w interfazie nie tylko następuje przygotowanie do następnego podziału poprzez podwojenie ilości DNA, ale także i poprzez wzrost komórek. Gdyby wzrost komórek nie poprzedzał podziałów, komórki z biegiem czasu stawałyby się coraz mniejsze. Nie oznacza to jednak, że komórka w interfazie musi zawsze osiągnąć wielkość komórki macierzystej. Znamy przykłady, gdy przez szereg pokoleń komórek w trakcie podziałów zostaje stopniowo zmniejszana masa kolejnych komórek potomnych. Gdy na przykład komórka jajowa zaczyna dzielić się, podziały biegną początkowo szybko jeden za drugim, bez wzrostu powstających komórek potomnych.

Wskutek tego, mimo że zarodek zbudowany jest z wielkiej liczby komórek, łączna ich masa nie zawsze jest większa od masy macierzystej komórki jajowej. Dalszy wzrost zarodka związany jest już jednak nie tylko z podziałami komórek, lecz także z ich wzrostem. Hartmann w swoim klasycznym eksperymencie wykonanym na pełzaku Amoeba proteus wykazał, że odcinanie co pewien czas części cytoplazmy pełzaka stymuluje procesy regeneracji i całkowicie hamuje podziały. Pełzak może zatem służyć za przykład komórki, która, aby się podzielić, musi osiągnąć pewną krytyczną wielkość. Nie jest to jednak regułą. Jeśli wykonamy identyczne doświadczenie na wymoczku Blepharisma, to tempo podziałów tego organizmu nie ulegnie zmianie i każdy następny osobnik powstały w wyniku podziału będzie mniejszy niż rodzicielski. Trwać to będzie tak długo, aż powstaną osobniki niezdolne do życia.

W organizmach wielokomórkowych podziały komórek zależą w dużym stopniu od wpływu czynników zapewniających koordynację czynności wszystkich części ustroju. Istnieją dowody na to, że aktywność podziałowa komórek organizmów tkankowych może być kontrolowana przez hormony, a u zwierząt także przez układ nerwowy. Przed wieloma już laty Haberland badając regenerację u roślin postulował występowanie w miejscach uszkodzonych tkanek hormonów przyrannych. Idea jego doprowadziła do odkrycia specjalnej substancji zwanej kinetyną, która w małych stężeniach stymuluje podziały komórek roślinnych. Spośród hormonów zwierzęcych, szczególnie hormony płciowe – żeński estradiol i męski testosteron, wzmagają aktywność podziałową komórek wielu narządów. Hormony te mogą indukować podziały komórek także i w organizmach, w których nie wykazano naturalnej ich syntezy. Podobnie pobudzająco na podziały, jak hormony, może oddziaływać także układ nerwowy. Wykazał to Singer stwierdzając, że regeneracja nogi płaza ogoniastego może się odbywać tylko w obecności odpowiedniej liczby włókien nerwowych pozostawionych w kikucie amputowanej kończyny. Hormony i układ nerwowy nie są jedynymi czynnikami kontrolującymi aktywność podziałową komórek organizmów tkankowych. W trakcie rozwoju organizmu wielokomórkowego na-stępuje różnicowanie się tkanek zbudowanych z komórek nie ulegających podziałom. Prawdopodobnie zahamowanie czynności podziałowych w tych komórkach jest wynikiem ich daleko posuniętej specjalizacji i zróżnicowania. Zwykle bowiem aktywność podziałowa komórek i stopień ich zróżnicowania są ze sobą powiązane w ten sposób, że im bardziej komórka jest zróżnicowana, tym rzadziej się dzieli. Wiele jednak typów komórek nie dzielących się w obrębie narządów organizmu tkankowego po przeniesieniu w inne warunki wznawia podziały. Obecnie przypuszcza się, że dużą rolę w procesach kontroli aktywności podziałowej komórek i procesów ich różnicowania się odgrywają oddziaływania fizyczne pomiędzy powierzchniami sąsiadujących w tkankach komórek.

Współcześni badacze poświęcają wiele uwagi czynnikom, które kontrolują czynności podziałowe komórek w warunkach eksperymentalnych. Przekonano się, że czynnikami antymitotycznymi, czyli hamującymi mitozę, mogą być różnorodne połączenia chemiczne i czynniki fizyczne. Wiadomo, że szereg substancji chemicznych, jak np. związki wiążące wapń lub niektóre anestetyki o ogólnym działaniu, powodują odwracalne zahamowanie podziałów. Najczęściej stosowanymi w pracowniach substancjami antymitotycznymi są pochodne iperytu oraz alkaloid kolchicyna i niektóre jego pochodne. Kolchicyna wywołuje zaburzenia w funkcjach wrzeciona, uniemożliwiające wędrówkę chromosomów siostrzanych do biegunów w anafazie. Nie hamując podwajania się liczby chromosomów, lecz blokując ich rozdział, kolchicyna wywołuje powstawanie jąder o podwojonej liczbie chromosomów. Komórki zawierające takie jądra po usunięciu z ich środowiska kolchicyny dzielą się dalej prawidłowo, zachowując jednak podwójną liczbę chromosomów, i dlatego nazywamy je tetrapłoidalnymi, a liczbę ich chromosomów oznaczamy przez 4n. W komórkach takich po cztery chromosomy są identyczne. Mitozy zablokowane w metafazie przez kolchicynę nazywamy często c-mitozami.

W roku 1967 Carter odkrył, że substancje wydzielane do pożywki przez niektóre grzyby (Helminthosporium dematoideum i Metarrhizium anisoplie) mogą zahamować podział komórki nie hamując podziałów jądra komórkowego. Substancje te, nazywane cytochalazynami, wywołują zatem powstawanie komórek wielojądrzastych, przy czym zachodzące w takich komórkach podziały jąder następują w sposób nie zsynchronizowany. Carter obserwował hodowane in vitro w obecności tych substancji komórki fibroblastyczne myszy, które zawierały po 2, 3, 5, 7 i więcej jąder, a wielkość tych komórek w krańcowych przypadkach osiągała takie rozmiary, że stawały się one widoczne gołym okiem. Usunięcie z pożywki cytochalazyn całkowicie odblokowywało procesy cytokinezy, które prowadziły do podziału takiej olbrzymiej, wielojądrzastej komórki na szereg komórek normalnych.

Spośród czynników fizycznych działających antymitotycznie najbardziej zbliżone do kolchicyny efekty wywołują promienie jonizujące. Jądro komórkowe zwykle jest bardziej wrażliwe na działanie promieniowania i ono też zostaje zwykle wcześniej uszkodzone niż cytoplazma. Promienie jonizujące, obok zakłóceń w aparacie mitotycznym, wywoływać mogą zmiany w samych chromosomach powodując mutacje. Duży wpływ na podziały komórek ma także temperatura, stężenie osmotyczne roztworu otaczającego komórki i powierzchnia, z którą komórki pozostają w kontakcie. Każdy z tych czynników może hamować lub przyspieszać podziały, w zależności od jego nasilenia i typu komórek, na które oddziałuje.

Podobne wpisy