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