Medicinska Biologija
B2
Stanični ciklus -
Stanični ciklus uključuje: a) Interfazu u kojoj se događa rast stanice i replikacija DNA b) Mitozu u kojoj dolazi do raspoređivanja repliciranih kromosoma u stanice kćeri; Cijeli proces traje ukupno 24 sata (vremenski najviše varira G1 faza). Pojedinačno vremenski traju: G1 – preko 12 sati, S od 6-8 sati, G2 do 4 sata, a cijela mitoza oko 80 minuta INTERFAZA G1 faza – događa se sinteza proteina za replikaciju, dekondenzacija kromatina S faza - događa se sinteza DNA i histona G2 faza – dolazi do sinteze proteina potrebnih za mitozu - Stanični ciklus se neprekidno ponavlja u stanicama koje proliferiraju (povećavaju svoj broj) - Njegova osnovna funkcija je točna replikacija DNA u kromosomima i precizna podjela dupliciranog materijala - Specifični stanični ciklus javlja se kod ranog zametka (primjer zametka žabe kod kojeg mitoza traje 30 minuta pri čemu nema G1 i G2 faze, a S faza je vrlo kratka jer nema potrebe za sintezom ničega osim DNA pa tako nema ni rasta stanice) - U nepovoljnim uvjetima stanica ulazi u G0 fazu u kojoj se prestaje dijeliti (uzrok može biti i preveliko skraćenje telomera) – živčane i mišićne stanice KROMATIN - za vrijeme staničnog ciklusa prolazi kroz različite stupnjeve kondenzacije pri čemu je za vrijeme mitoze najkondenziraniji jer su sestrinske kromatide odvojene (spojene samo centromerom) i stoje jedna uz drugu te kompakcija kromatini štiti krhku DNA od pucanja kada ju diobeno vreteno vuče prema polovima. Kondenzacija kromatina postiže se uz pomoć histona H1. - Osnovna građevna jedinica kromatina je nukleosom koji su sastavljeni od 11 nm debelog vlakna nukleofilamenata. - Namatanjem DNA oko histona skraćuje se 7 puta pri čemu nastaje nukleofilament, daljnjom formacijom nastaje solenoid koji je 40 puta kraći te na kraju dobivamo vlakno formirano u obliku petlji koje tvori kromatidu (50 000 puta kraća od nukleofilamenata) PRIPREMA ZA MITOZU 1) Udvostručenje centrosoma – mora se dogoditi prije mitoze jer je centrosom organizacijski centar mikrotubula koji će osigurati dva pola diobenog vretena (stanica koja nije u diobi posjeduje samo jedan centrosom). Započinje u G1 fazi pri čemu se stvara tvorevina sastavljena od dva centriola koji se nalaze pod pravim kutem jedan prema drugome i okruženi su pericentriolarnim matriksom. Prvi događaj pripreme za mitozu je odvajanje dvaju centriola jednog centrosoma pri čemu u blizini svakog od odvojenih centriola počinje rasti novi (postavljen pod pravim kutem na stari) centriol. Završava u G2 fazi kada se formiraju 2 nova centrosoma koji ostaju zajedno sve do mitoze kada krene njihovo putovanje na suprotne polove stanice. 2) Formiranje diobenog vretena – početkom mitoze svaki par centriola postaje dio organizacijskog centra mikrotubula koji se formiraju u drukčijemrasporedu nego u interfazi (karakterističnog oblika) te je takav centar nazvan aster. Dva astera pomiču se postavljeni na suprotnim stranama jezgre formirajući početak polova diobenog vretena izgređenog od mikrotubula koji guraju polove diobenog vretena pr ema suprotnim polovima stanice i istovremeno vuku kromosome u istom smjeru. Postoje 3 vrste mikrotubula koji izgrađuju vreteno: a) Polarni mikrotubuli – polaze sa svakoga pola i preklapaju se u ekvatorijalnoj ravnini– djeluju u anafazi i odgovorni su za guranje polova vretena
b) Kinetohorni mikrotubuli – vezani za kinetohoru na području centromere i pomiču kromosome c) Astralni mikrotubuli – šire se u svim smjerovima od centrosoma te utječu na orijentaciju kontraktilnog prstena - Mikrotubuli moraju moći pristupiti na kromosome pa se jezgrina ovojnica mora djelomično ili potpuno razgraditi. Potpuno razgrađena jezgrina ovojnica daje tzv. otvorenu mitozu, a ona postoji kod sisavaca. MITOZA 1) PROFAZA – počinje nakon G2 faze pri čemu taj prijelaz nije oštro označen. Kromatinse počinje vidljivo formirati u kromosome (dvije kromatide spojene centromerom). Centrosomi putuju na suprotne krajeve jezgre pri čemu se stvaraju asteri. Proteini jezgrine ovojnice dijele se u 4 skupine: lamine (tipovi intermedijarnih filamenata koji tvore nuklearnu laminu), proteine unutarnje membrane (stvaraju se u ER, vezuju lamine ili kromatin), proteine nuklearnih pora (nukleoporini, spajaju unutarnju i vanjsku jezgrinu membranu i tvori transportni kanal), periferne kromatske proteine (omogućuju interakcije perifernog kromatina i lamina, histoni H2A i H2B). Razgradnjom jezgrine ovojnice dolazi do fosforilacije ovih proteina koji se pohranjuju u endoplazmatskom retikulumu koji se ne razgrađuje u mitozi. 2) PROMETAFAZA – počinje razgradnjom jezgrine ovojnice koja se raspada u membranske vezikule. Ključnu ulogu u tome imaju dineini (motorni proteini mikrotubula) koji vuku jezgrinu ovojnicu na suprotne polove stanice dok ona ne pukne te ih zatim vuku na centrosome. Na svakoj centromeri nastaje kinetohora koja je specijalizirani sklop proteina (svaka kromatida ima svoju). Preko svojih kinetohora kromosomi se hvataju za specijalizirane mikrotubule diobenog retena – kinetohorni mikrotubuli, koji se protežu od polova do svakog kromosoma. U tom procesu minus kraj je uložen u centrosom, a plus kraj stalno raste izlazeći iz centrosoma. Kada kromosom uhvate kinetohorni proteini oni ostaju napeti jer su vezani na mikrotubule sa suprotnih polova stanice što je bitno da se novonastale kromatide odvuku na suprotne polove stanice. 3) METAFAZA – najdulji period mitoze u kojem stanica ostaje toliko dugo dok se svi kromosomi ne smjeste u ekvatorijalnu ravninu. Poravnavaju ih kinetohorni proteini uz pomoć dineina. Mikrotubuli u tom procesu stalno gube podjedinice, ali se one istom brzinom i stvaraju pri čemu se pojavljuju i polarni mikrotubuli koji dolaze od svakog pola prema ekvatorijalnoj ravnini. 4) ANAFAZA – pokrenuta je razgradnjom ciklina pri čemu ona započinje naglo kada se parne kintehore svakog kromosoma odvoje dopuštajući diobenom vretenu da svaku kromatidu počne vući prema suprotnom polu stanice (svi putuju istom brzinom – oko 1 µm/min). Sve većim približavanjem kinetohorni mikrotubuli odbacuju podjedinice, a polarni ih primaju 5) TELOFAZA – kintehorni proteini potpuno nestaju, a polarni se sada nalaze u fazi maksimalne veličine. Oko svake grupe kromosoma na polovima se formira nova jezgra te dolazi do defosforilacije sačuvanih proteina i stvaranja nove jezgrine membrane. CITOKINEZA – prati svaku mitozu i započinje u anafazi te se završava početkom sljedeće interfaze. Mjesto citokineze određeno je položajem diobenog vretena na kojem se stanična membrana uvuče. To omogućuje primanje signala od astralnih mikrotubula na polovima koji guraju aktinske i miozinske filamente prema ekvator ijalnoj ravnini gdje započinje stezanje te nastaje kontraktilni prsten koji postoji sve dok s e veza novonastalih citoplazmi ne prekine. – Mitoza se može dogoditi i bez citokineze (primjer Drosophila Melanogaster kod koje se prvih 13 diobi događa bez citokineze) pa se na taj način stvaraju multinuklearne stanice ili sincicij.
–
Primjer kod kukaca pokazuje udvostručenje kromosoma bez podjele citoplazme pa ostaju zajedno i rastu vjerojatno zbog velike potrebe ličinke za velikom količinom produkata male količine gena.
KONTROLA ODVIJANJA STANIČNOG CIKLUSA
INTRACELULARNA - U kontrolnim točkama djeluju ciklini koji stvaraju kompleks sa kinazama ovisnima o ciklinima koji stvaraju Cdk (cyclin dependent kinases). Oni se u ciklusu sintetiziraju i razgrađuju ali im je ukupni broj konstantan. Pronađen kod kvasca i ima identičnu funkciju kao i kod sisavaca pa se mogu nadomještavati. Kod kvasca postoji samo jedan tip Cdk proteina – Cdc2, dok kod sisavaca postoji više vrsta (ciklin A, B, D, E), a za njih postoje i CKI (Cdk inhibitor) koji ih mogu aktivirati i inaktivirati. - Cdk1 započinje mitozu i naziva se MPF (maturation promoting factor) i aktivan je samo za vrijeme mitoze. Pod njegovim utjecajem počinje razgradnja jezgrine ovojnice. Početkom mitoze aktivira APC (Anaphase promoting complex) koji aktivira ubikvitin (evolucijski konzervirani protein prisutan u svim eukariotskim stanicama) pa u metafazi razgrađuje proteine koji spajaju sestrinske kromatide i omogućava njihovo odvajanje. Na kraju utječe na razgradnju mitotičkog ciklina (stanica može opet ući iz mitoze u G1 fazu) - Ciklini se dijele na: a) G1 cikline koji osiguravaju ulazak u S fazu vezujući se na Cdk b) Mitotičke cikline koji se vežu na Cdk u G2 fazi i omogućavaju ulazak u mitozu - Identificirano je 13 ciklina kod sisavaca koji su grupo podijeljeni na prethodne skupine. - Kontrola staničnog ciklusa teče po koracima: 1. Dolazi do vezivanja G1 ciklina (ciklin D) na Cdk 4/6 pri čemu počinje priprema za replikaciju kromosoma 2. Ciklin E se veže na Cdk 2 i dolazi do pripreme ulaska u S fazu 3. Razgrađuje se ciklin E i dolazi ciklin A na Cdk 2 i počinje S faza 4. Sintetizira se ciklin B i vezuje na Cdk 1 (MPF) i počinje mitoza 5. MPF aktivira APC za vrijeme metafaze 6. Aktivacija APC/Cdc 20 se aktiviraju na prijelazu metafaze u anafazu 7. Dolazi do razgradnje sekurina (inhibitora anafaze) u proteasomima koji pokreću razgradnju kohezina koji drži sestrinske kromatide zajedno i dolazi do odvajanja kromatida - Odvijanje staničnog ciklusa regulirano je pozitivnim (faktori rasta, onkogeni, ciklini i Cdk) i negativnim regulatorima (tumor, supresor geni, Cdk inhibitori) te kontrolnim točkama koje sprečavaju prerani ulazak u sljedeću fazu ciklusa. Kontrolni sustav može zaustaviti ciklus u specifičnim točkama ako nešto nije u redu. Kontrolne točke: a) G1 checkpoint – ako je stanica premala ili je okolina nezadovoljavajuća ili je DNA oštećena stanica ulazi u G0 fazu b) G2 checkpoint – ako je DNA nedovoljno replicirana ili je stanica premala ulazi u tzv. resting state c) M checkpoint – ako su svi kromosomi vezani u ekvatorijalnoj ravnini vezani na diobeno vreteno stanica ulazi u anafazu. EKSTRACELULARNA - NEGATIVNI REGULATORI (antiproliferacijski proteini) 1) Rb protein (retinoblastimski gen supresor tumora) - treba ga blokirati da bi ciklus mogao teći dalje (u središtu regulacije ciklusa) – fosforilira ga aktivnost ciklin/Cdk kompleksa. Ako ostane u nefosforiliranom obliku, na sebe veže E2F faktor transkripcije i stanica ne može ući u S fazu (nema potrebnih proteina za to). 2) CKI – Cdk inhibitori – inhibiraju kinaznu aktivnost Cdk pa ciklus ne može ići dalje, a djeluju samo u fazama interfaze. Ostvaruje se vezivanjem CKI na Cdk molekulu pa se ne može vezati ciklin i ciklus se zaustavlja.
-
-
-
-
-
3) p53 protein – prepoznaje oštećenje DNA i opasnost od mutacije te aktivira kinazu koja fosforilir a p53 i odvaja se Mdm2. U međuvremenu p53 može uzrokovati transkripciju CKI proteina p21 koji zaustavlja ciklus u G1 fazi pa stanica ima vremena popraviti DNA ili ako je oštećenje preveliko umire apoptozom. Do apoptoze dolazi: a) Zbog normalnog razvitka organizma b) Zbog uništenja stanica koje prijete organizmu Ako stanica umire zbog ozljede, njezin sadržaj odlazi u okolinu kojom je okružena (dolazi do nekroze), a sadržaj mrtve stanice je potencijalno opasan za druge. Apoptozom stanica umire tako da se skuplja, r aspada na male fragmente okružene membranom, kida se DNA na komade, mitohondriji se razgrađuju i otpušta citokrom C, fosfatidilserin se premješta na vanjsko lice membrane što privlači fagocite koji ju proždiru i stanica se reciklira uz pomoć makrofaga. Mehanizam apoptoze – enzimi koji su uključeni u nju su kaspaze. A do aktivacije kaspaze 9 dolazi otpuštanjem citokroma c iz mitohondrija pri čemu se citokrom c veže na APAF (apoptosis activation factor) te radi kaskadnu aktivaciju kaspaze Mitogeni su odgovorni za stimulaciju diobe stanice djelujući na negativne signale Faktori rasta stimuliraju povećanje volumena stanice, a faktori preživljenja koji sprečavaju apoptozu stanice. Signali za rast kod sisavaca mogu biti različiti hormoni koje proizvode endokrine žlijezde hipofiza, štitnjača ili gušterača ili mogu potjecati iz međustanične tvari (lamin i fibronektin). To mogu biti i produkti parakrine signalizacije – polipeptidni faktori rasta iz susjednih stanica ili autokrine signalizacije – stanica pobuđuje samu sebe. Spektar djelovanja može biti širok tako da različite stanice reagiraju na taj faktor, npr. FGF (fibroblast growth factor) ili EGF (epidermal growth factor); može biti i uzak tako da samo neke stanice reagiraju na njega – interleukin 3 (za rast prekursora krvnih stanica). Postoji mogućnost da protein potiče proliferaciju jedne vrste stanica, a drugu inhibira, npr. TGF β (transforming growth factor β). Zadnja vrsta je ona koja regulira povećanje volumena stanice, npr. NGF (nerve growth factor), a iz porodice TGF proteina je BMP (bone morphogenetic protein). Proteinski faktori rasta vežu se za specifične receptore u membrani ciljne stanice te se preko fosforilacijske kaskade prenose do gena u jezgri pri čemu se prvo induciraju geni ranog odgovora na faktore rasta (protoonkogeni c-myc, c-fos, c-jun), a nakon sat vremena ti proteini induciraju gene kasnog odgovora na faktore rasta među koje spadaju ciklini i Cdk te E2F transkripcijski faktor.
