Исследование клеточных циклов модели Тайсона в программе Model Vision Studium

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследование клеточных циклов модель Тайсона в программе Model Vision Studium



Введение

Современное общественное состояние характеризуется достижений и внедрением научно - технического прогресса во всей своей сферы деятельности.

Информатизация - это процесс развития, создание и общего применения информационных технологий и также их средств, которые обеспечивают их кардинальное улучшение условий жизни в обществе и качества труда. Она связана с тем, что происходит внедрение информационно-вычислительных систем, которые повышают уровень автомaтизации организационно-экономической, технологической, административно-хозяйственной, проектно-конструкторской, научно-исследовательской и других видов деятельности.

Создание сложных технических являются системы проектирования, а также управление, которые являются сложными комплексами, экологической анализ ситуации, который сложен особенно в условиях агрессивного техногенного воздействия и сюда также входит исследование социальных проблем коллективов и планировка развития регионов, и другие направления деятельности, которые требуют организацию исследований и они обладают свойствами больших систем.

Для сложных систем проводится анализ и синтез, при котором используют широкий спектр математических методов, основу математического аппарата дисциплины составляют нелинейное и линейное программирование, теория игр и принятия решений и массового обслуживания, а также теория статистических выводов и имитационное моделирование и т.п.

Клеточный цикл и его природа прояснилась в результате, когда были изучены мутантные клетки, которые растут и делятся при низких температурах. У таких температуро - чувствительных мутантов имеется обычно один измененный белок, который способен функционировать только при низкой температуре, если повысить температуру то у большинства мутантов нарушается рост, некоторые мутантные клетки перестают расти лишь тогда, когда они достигают определенной стадии клеточного цикла, например, начала репликации ДНК, деления ядра или цитокинеза.

В клеточном цикле лучше всего изучены мутантные клетки у пекарских дрожжей, у них выделены мутанты более чем 35 различным генам цикла клеточного деления, в результате с помощью мутантных клеток была исследована взаимосвязь между клеточным циклом и функциями определенных белков.

Целью данной работы являлся создание модели с помощью программного пакета MVS, а также ее изучение, и исследование клеточных циклов по формуле Тайсона, построение временной диаграммы по результатам.

При этом существенно важным является решение следующих задач:

- создание математической модели по формуле Тайсона;

- провести исследование и анализ полученных графиков;

- изучение компьютерного построения модели системы;

- изучение работы программного пакета MVS.



1. Основные этапы и цели моделирования

1.1 Идентификация реальных объектов

модель клеточный компьютерный программа

Общая, основная цель моделирования заключается в изучении и наблюдении за системой, подверженной воздействию внешних и внутренних факторов при любoм достижении системой опрeдeленного сoстоянии, которое может быть неизвестно, так и может быть и задано, из-за отсутствия информации или по каким либо иным причинам. Моделирование определяет, сможет ли система функционировать при заданных условиях или нет, во время этого перехода. В зависимости от цели и реальной модели расширяются и конкретизируются.

Опрeдeлeниe надежности функционирования системы, а также выбор алгоритма поведения и оптимальной структуры, построение системы в соответствие с поставленной пeрeд ней целью - главная проблема при проектировании современных больших систем.

Моделирование - является одним из методов, которые используются при исследовании и проектировании больших систем, которое осуществляется через эксперимент - процедуру организации и наблюдения явлений, которые осуществляются в условиях близким к действительным или имитируют их. [1]

Различают два типа экспериментов: e

Активный - это когда вмешивается наблюдатель и организовывает прохождение процесса.

Пассивный - это когда исследователь, наблюдая процесс не мешает его прохождению;

Основа моделирования состоит из 4 информационных процессов:

– создаваемая модель базируется на информации о реальном объекте;

– при получении модели получается информация о данном объекте;

– в процессе эксперимента с моделью вводится управляющая информация;

– получаемые данные обрабатываются. [1]

Мы рассматриваем как объект моделирования сложные организационно-технические системы, они состоят в классе больших систем, так же модель эта модель может так же становится частью системы и может относиться к классу больших систем.

Модель большой системы описывается девятью критериями:

1) Цель функционирования - она определяет степень целенаправленности поведения модели. Модели делятся на многоцелевые (рассматривают ряд сторон объекта) и одноцелевые (для решения одной задачи)

2) Сложность - позволяет оценить число элементов и связей между ними, множеством входов и выходов и иерархию связей т.д.

3) Целостность - создаваемая модель, является одной целостной системой, она включает в себя большое количество экспериментов, которые находятся в сложной взаимосвязи друг с другом и характеризуется появлением новых свойств, отсутствующих у элементов (эмерджентность).

4) Неопределенность - проявляется в системе: методом решения задач, возможности достижения поставленной цели, по состоянию системы, достоверности исходной информации и т.д. Главная характеристика неопределенности это такая мера информации как энтропия.

5) Поведенческая казнь - оценивает эффективность системы достижением поставленной цели. Если применить её к модели тогда она, позволяет оценить точность и эффективность модели и достоверность результатов.

6) Адаптивность - является высокоорганизованной системой так как обладает его свойством. В результате адаптивности система адаптируется к внешним раздражителям в широком диапазоне изменения действий Е. В создание и применяя к модели, важна ее адаптация к внешним условиям, наиболее близким к реальным, а также надежности существования и ее живучести.

7) Организационная структура системы моделирования - она зависит от степени совершенствования средств моделирования и сложности модели.

Использования имитационных моделей для проведения многочисленных машинных экспериментов нам нужны.

1) оптимальная организация процесса моделирования (время моделирования и точность результата).

2) оптимальная организационная структура комплекса технических средств информационного математического и программного обеспечения системы моделирования

8) Управляемость модели - экспериментатор обязан обеспечить управление моделью при имитации разных условий прохождения процесса. В свою очередь управление системой связано со степенью автоматизации моделирования.

9) Возможность развития модели - при создании модели необходимо проанализировать возможность развития как по вертикали, расширяя число подсистем так и по горизонтали, расширяя спектр изучаемых функций.

При создании модели рассматривают следующие семь основных этапов:

1) определение цели моделирования;

2) идентификация реальных объектов;

3) выбор вида моделей;

4) построение моделей и их машинная реализация

5) взаимодействие исследователя с моделью в ходе машинного эксперимента

6) проверка правильности полученных результатов, которые были определены в ходе моделирования.

7) определение главных закономерностей, исследуемых при моделировании.

Созданию модели по конкретному поставленному заданию.

- Постановка цели моделирования

- Постановка задачи, построение содержательной

После того как мы выполнили задание выделим следующие цели создания модели:

1) Определение производительности второго цикла обработки деталей;

2) При каком условии возможно повышение загрузки второго станка и снижение уровня задела на втором цикле обработки; [1,3]

Идентификация реальных объектов - на этом этапе осуществляется привязка их к образным понятиям модели с дaльнeйшим конкретизированием

и опредeлeниe основных элементов реальной системы, конвертированием в математическое представление на стадии расширения алгоритма программной реализации.

В результате поставленной задачи под системой мы подразумеваем автоматизированный конвейер обработки деталей в машинном цехе, а также воздействие на систему с внешней среды не осуществляется, а внутреннее воздействие производится непосредственно над деталями и станками.

Входные и выходные элементы системы, для данной модели будут входная и выходная информация. Мы примем детали за входные элементы, а точнее сколько этих деталей, а выходные примем производительность станков на втором уровне обработки.

Так же мы разбиваем систему на две подсистемы (которая упростит нам в дальнейшую программную реализацию). Разобьем на систему на подсистемы первичной обработки деталей и вторичной обработки брака. Так как известно, что бракованные детали не могут обрабатываться дважды нет необходимости в дальнейшем дроблении. [3]

клеточный компьютерный программа

1.2 Выбор вида моделей

Виды моделей можно классифицировать следующим способом:

Рисунок 1.1 - Виды моделирования

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе все виды моделирования могут быть разделены на: статические и динамические; детерминированные и стохастические; дискретные, непрерывные; дискретно - непрерывные.

Статическое моделирование описывает поведение объекта в данный момент времени.

Динамическое моделирование отображает поведение объекта во времени.

Стохастическое моделирование отображает вероятностные процессы и случаи. Анализируется ряд реализаций случайного процесса и оцениваются средние характеристики, то есть набор однородных реализаций.

Детерминированное моделирование - отображает детерминированные процессы, то есть процессы, в которых предвидится отсутствие всяких случайных влияний.

Дискретное моделирование отображает дискретные процессы, непрерывное моделирование - непрерывные процессы, дискретно-непрерывное моделирование - оба процесса.

В зависимости от формы представления объекта выделяют: вымышленные и реальные моделирования.

Вымышленное (абстрактное) моделирование - когда невозможно или дорогое материальное создание (модели микромира). Делится на:

- наглядное;

- символическое;

- материальное.

Наглядное моделирование - на базе представления человека об объекте создаются гипотетические модели, аналоги и макеты.

Гипотетическое моделирование - выбирается гипотеза о реальном объекте, гипотеза, которая отображает уровень знаний об объекте, когда знаний не хватает для формализации.

Аналоговое моделирование - использует аналогии разных уровней (полная, неполная, приблизительная).

Макетирование - в основе выполненного макета лежит аналогия причинно-наследственных связей.

Символическое моделирование - искусственный процесс создания логического объекта-заместителя реального с помощью системы знаков и символов.

Знаковое моделирование - вводятся знаки, условные обозначения отдельных понятий, составляются из знаков слова и предложения; операции объединения, пересечения и дополнения теории множеств дают описание объекта.

Языковое моделирование - в основе лежит словарь однозначных понятий.

Математическое моделирование - замена реального объекта математическим. [3]

Делится на аналитическое, имитационное и комбинированное.

Аналитическое моделирование - процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий.

Методы исследования аналитической модели:

– Аналитические методы получаются в общем виде явные зависимости для искомых характеристик. Этот метод связывает зависимостью исходных данных с искомыми результатами, применяется для простых систем.

– Численным методом решается уравнение в общем виде не получается, то получают числовые результаты при конкретных исходных данных

– Качественным методом данное уравнение решить не удается, находят некоторые свойства решений (например, стойкость и др.).

Численные методы - для построения аналитических моделей существует мощный математический аппарат - функциональный анализ, алгебра, математическая статистика, теория вероятности, разностные уравнения, теория массового обслуживания и т.д. Используется в ЭВМ и исследуют более широкий класс систем[3]

Имитационное моделирование - используется тогда когда аналитического моделирования недостаточно чтобы описать сложную систем. Имитационной модель сложной системы описывается набором алгоритмов, которые в последующем реализуют ситуации, которые возникают в реальной системе.

Алгоритмы, которые модулируют по исходным данным и фактическим значением параметров системы, отображают явления в системе и получают информацию о возможном поведении сложной системы. Полагаясь на эту информацию исследователь может принять соответствующее решение. [1,3]

Имитационная модель сложной системы рекомендуется в следующих случаях:

1) Нет законченной постановки задачи исследования и идет процесс познания объекта моделирования имитационная модель - способ изучения явления.

2) Математические средства аналитического моделирования громоздкие и сложные и имитационная модель дает наиболее простой способ.

3) Оценка влияния параметров сложной системы необходимо наблюдать поведение компонентов сложной системы некоторый период.

4) Имитационная модель это единственный способ исследования сложной системы, то есть невозможны наблюдения в реальных условиях за объектом.

5) Необходимо осуществлять контроль протекания процессов в сложной системе, уменьшая и ускоряя скорость их протекания в ходе имитации.

6) При подготовке специалистов и освоении новой техники.

7) Изучение новых ситуаций в сложной системе, проверка новых стратегий и принятие решений перед проведением экспериментов на реальной системы.

8) Предвиденье узких мест и трудностей в поведении сложной системы при введении новых компонент. [1,3]

Натурное моделирование - это исследование на реальном объекте и обработке результатов экспериментов на основе теории подобия. Комплексные исследования, научный эксперимент, производственный эксперимент (исследуется широкая автоматизация, вмешательство в управление реальным процессом, создание критических ситуаций).

Физическое моделирование - используется на установках, которые сохраняют природу явлений при физическом подобии.

Кибернетическое моделирование - нет непосредственно физического подобия. Система отображается как «черный ящик» рядом входов и выходов.

В зависимости изучаемых процессов можно определить следующий вид модели:

- стохастическая неизвестно сколько будет находиться деталей в накопителе при повторной обработке

- динамическое необходимо узнать как система будет функционировать не в конкретный момент времени а на всем промежутки обработки

- непрерывное из задания следует, что рассматривается автоматизированный конвейер.

В зависимости от формы представления:

- вымышленное слишком дорого для студента материальное создание; к данной модели применимы почти все варианты абстрактного моделирования (математическое, символьное т.д.) так, что нет смысла перечислять все. [3]

1.3 Динамическая система

Динамическая система может быть представлена в виде «чёрного ящика» с «входами» и «выходами»: «входы» представляют собой внешние воздействия на систему, а «выходы» - ответную реакцию системы и система которая обладающая состоянием. Основной задачей является поиск управляющих воздействий, обеспечивающих требуемое поведение системы.

Динамическая система описывает в целом динамику некоторого процесса, а именно: процесс перехода системы из одного состояния в другое. Фазовое пространство системы - совокупность всех допустимых состояний динамической системы. Также динамическая система характеризуется своим начальным состоянием и законом, по которому система переходит из начального состояние в другое. [4]

Различают системы с непрерывным временем и с дискретным временем.

В системах с дискретным временем, которые традиционно называются каскадами, поведение системы описывается последовательностью состояний.

В системах с непрерывным временем, которые традиционно называются потоками, состояние системы определено для каждого момента времени на вещественной или комплексной оси. Каскады и потоки являются основным предметом рассмотрения в символической и топологической динамике.

Динамическая система как с дискретным, так и с непрерывным временем является по существу синонимом автономной системы дифференциальных уравнений, заданной в некоторой области и удовлетворяющей там условиям теоремы существования и единственности решения дифференциального уравнения. [4,5]

Основное содержание теории динамических систем - это исследование кривых, определяемых дифференциальными уравнениями. Сюда входит разбиение фазового пространства на траектории и исследование предельного поведения этих траекторий: поиск и классификация положений равновесия, выделение притягивающих (аттракторы) и отталкивающих (репелеры) множеств (многообразий). Также важнейшие понятие теории динамических систем - это устойчивость (способность системы сколь угодно долго оставаться около положения равновесия или на заданном многообразии) и грубость (сохранение свойств при малых изменениях структуры динамической системы).

Современная теория динамических систем является собирательным названием для исследований, где широко используются и эффективным образом сочетаются методы из различных разделов математики: теории дифференциальных форм и алгебры, алгебраической геометрии и теории меры, топологии, теории особенностей и катастроф.

Способы задания динамических систем

Для того чтобы задать динамическую систему нам необходимо описать её фазовое пространство X, и множество моментов времени T и некоторое правило, которое описывает движение точек фазового пространства со временем. Множество моментов времени T может быть как интервалом вещественной прямой, так и множеством целых или натуральных чисел (дискретное время). Во втором случае движение точки фазового пространства больше напоминает мгновенные скачки из одной точки в другую: траектория такой системы является не гладкой кривой, а просто множеством точек, и называется обычно орбитой. Тем не менее, несмотря на внешнее различие, между системами с непрерывным и дискретным временем имеется тесная связь: многие свойства являются общими для этих классов систем или легко переносятся с одного на другой. [4,5]

Сложная динамическая система

Под динамической системой понимается объект, который функционирует в непрерывном времени, непрерывно наблюдаемый и изменяющий свое состояние под воздействием внутренних и внешних причин. Прежде чем переходить к рассмотрению этих проблем и современных подходов к визуальному моделированию, необходимо, прежде всего, уточнить понимание самого предмета моделирования - сложной динамической системы. [4,5]

Простая динамическая система

Под простейшей динамической системой понимается такая система, поведение которой задается совокупностью обыкновенных дифференциальных уравнений с достаточно гладкими правыми частями, обеспечивающими единственность и существование решения.

Сложной является модель, которая представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений в форме Коши и нелинейных алгебраических уравнений, сопровождаемая набором вспомогательных формул.

Задача численного построения фазовой траектории такой системы значительно сложна, но если совокупность нелинейных уравнений однозначно разрешима в каждой временной точке, и правые части дифференциальных уравнений достаточно гладкие, то она в основном также вполне успешно решается.



2. Клеточный цикл

2.1 Клеточный цикл митоз

Клеточный цикл это повторяющаяся совокупность событий, она обес-

печивает деление эукариотических клеток, его продолжительность зависит от типа делящихся клеток. Например некоторые клетки, как нейроны человека, после того как достигли стадии терминальной дифференцировки вообще прекращают свое деление. Клетки почек, печени или легких во взрослом организме начинают делиться лишь после того как повреждаются соответствующие органы, а клетки эпителия кишечника делятся на протяжении всей жизни человека, а у быстро пролиферирующих клеток подготовка к делению занимает около 24 ч.

Клеточный цикл разделяют на шесть стадий:

1) Митоз - деление клеточного ядра.

2) G1 - фаза период перед синтезом ДНК.

3) S фаза - период синтеза (репликации ДНК).

4) G2 фаза - период между синтезом ДНК и митозом.

5) Интерфаза - включающий в себя G1, S, G2-фазы.

6) Цитокинез - деление цитоплазмы.

В результате деления клетки происходит удвоение хромосом, которое происходит в периоде S. (рисунок 2).

По вертикальной оси отложено содержание ДНК (число геномов): в гаметах содержание ДНК соответствует гаплоидному геному; в яйцеклетке сразу после оплодотворения, в клетках в период G1 и в созревающих половых клетках после первого деления мейоза - в два раза больше ДНК; в готовых к митозу или мейозу клетках (период G2) - в четыре раза больше ДНК. [9,7]



Рисунок 2.1- изменение содержания ДНК

После окончания репликации ДНК до завершения метафазы ядро содержит в четыре раза больше ДНК, чем ядро сперматозоида или яйцеклетки.

В начале анафазы центромеры гомологичных хромосом разъединяются, а хроматиды расходятся к противоположным полюсам митотического веретена. После того как к полюсам отойдут полные наборы хроматид, вокруг каждого из них образуется ядерная оболочка, формируются ядра двух дочерних клеток. Дочерние клетки вступают в период перед синтезом ДНК, и только после того как они готовы к следующему делению подготовке и они переходят в период синтеза ДНК. [9,7]

Клетки со специализированными функциями, которые длительное время не вступали в митоз или вообще утратившие способность к делению, находятся в состоянии покоя.

В гонадах предшественники половых клеток сначала претерпевают ряд митотических делений, а затем вступают в мейоз - процесс образования гамет, состоящий из двух последовательных делений. В мейозе происходит спаривание гомологичные хромосомы (отцовская 1-я хромосома с материнской 1 хромосомой и т.д.).

После чего в ходе так называемого кроссинговера происходит рекомбинация хромосом, в следствии чего меняется генетический состав каждой из хромосом. В первом делении мейоза гомологичные хромосомы расходятся, в результате чего образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, которая содержит по 22 удвоенные аутосомы и одной удвоенной половой хромосоме.

Между первым и вторым делениями мейоза нет периода репликации ДНК (рисунок 2, справа), а во втором делении дочерние клетки, расходятся сестринские хроматиды. В результате образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, в этих клетках вдвое меньше ДНК, чем в диплоидных соматических клетках в периоде G1, и в 4 раза меньше - чем в соматических клетках по окончании периода синтеза ДНК.

У зиготы при оплодотворении число хромосом и содержание ДНК становится таким же как и в соматической клетке в периоде перед синтезом ДНК, а в периоде синтеза ДНК в зиготе открывается путь к регулярному делению которое характерно для соматических клеток.

Митоз - это процесс, следующий за репликацией хромосом, в результате чего дочерние клеточные ядра содержат то же число хромосом, что и родительские. Он включающий в себя несколько фаз, необходимость которого возникла в процессе эволюции, когда появились клетки у которых количество ДНК увеличено, и которые упакованной в отдельные хромосомы.

Митоз включает в себя разрушение цитоплазматических микротрубочек, в профазе дочерние центры организации микротрубочек которые мигрируют к противоположным сторонам ядра, потом происходит разрушение ядерной мембраны, и МТОС организуют митотическое веретено из микротрубочек, и звездообразно расходящихся из его полюсов (рисунок 2.2).



Рисунок 2.2 - микротрубочки в митозе

Причины, которые определяют переход от интерфазных микротрубочек к веретену не выяснены, но однако известно что, некоторые существенные для этого события модификации МТОС: нуклеирующей способности усиление, фосфорилирование, синтез новых структур, изменение морфологии. [9,7]

После разрушения ядерной оболочки начинается процесс прикрепления хромосом к полюсам посредством микротрубочек. При этом отрицательный конец микротрубочек ассоциируется с кинетохором хромосомы, а положительный конец - с полюсом. Конгрессия хромосом это и есть движение хромосом к экватору митотического веретена, приводящее к образованию метафазной пластинки, показано, что увеличение расстояния между полюсом и хромосомой происходит за счет включения тубулина в области кинетохора.

Решающую роль в расхождении хромосом при делении клеток играет митотическое веретено.

При этом используется два основных механизма:

1) анафаза А механизм при котором хромосомы движутся к полюсам вдоль микротрубочек;

2) анафаза В механизм в котором происходит расхождение полюсов и удлинение веретена.

Механизмы, лежащие в основе этих двух процессов, различны, a клетки могут использовать так и один, так и оба этих механизма.

Обоснованной гипотезой, которая объясняет расхождение полюсов в анафазе В, является гипотеза о скольжения микротрубочек друг относительно друга, в скольжении участвуют не связанные с хромосомами микротрубочки, идущие от обоих полюсов и перекрывающиеся в центре веретена, также скольжение осуществляется микротрубочковыми транслокаторами, такими как динеин и кинезин. Движение микротрубочек друг относительно друга сопровождается, удлинением микротрубочек. [9,7]

Инициация митоза - это сигнал к началу деления клетки исходит от фактора MPF, который стимулирует M - фазу клеточного цикла.

MPF представляет собой комплекс киназы CDK1 с активирующими ее циклинами A или B. Комплекс CDK1 - циклин A играет важную роль в завершении синтеза ДНК и подготовке клетки к делению, а комплекс CDK1 - циклин B преимущественно осуществляет контроль последовательности

В периоде перед синтезом ДНК B1 и B2 циклины присутствуют в очень малых концентрациях, их концентрация начинает увеличиваться в конце репликации ДНК и на протяжении всей G2-фазе, когда их концентрация достигая своего максимума во время митоза, то это что к замещению ими циклина A в комплексе с CDK1, но видимо этого оказывается недостаточным для полной активации протеинкиназы.

После серии фосфолирования и дефосфолирования по остаткам аминокислот достигается функциональная компетентность CDK1, этот контроль очень необходим для того чтобы предотвратить вступление клеток в митоз после полного синтеза ДНК.

После того как активированная CDK1 фосфолирует в ядре структурные белки, нуклеатины, ядерные виментины и ламины, после этого ядро начинает проходить свой путь через цитоогически хорошо стадии митоза.

Профаза - это первая стадия митоза которая начинается после того, как CDK1 полностью фосфорилируется, а за ней следуют остальные фазы митоза. В следствии всех этих процессов можно сделать вывод что самое главное это правильное распределение реплицированных хромосом, цитоплазматических и ядерных белков, а также других высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в дочерние клетки. После того как происходит завершение цитокинеза разрушение циклина B, который сопровождается инактивацией комплекса CDK1, что в дальнейшем приводит клетку к вступлению в фазу G1 или G0 клеточного цикла. [9,7]

2.2 Периоды и фазы клеточного цикла

Профаза - это процесс, который входит в фазу митоза и начинается с укорочения хромосом, он происходит постепенно, в несколько этапов.

В самом начале профазы мы можем увидеть в световой микроскоп что, тонкие хроматиновые нити, которые спутанные в клубок, но не удается различить отдельные хромосомы, а к концу профазы хроматиновые нити значительно укорачиваются и одновременно утолщаются, при этом среди общей массы мы можем различить некоторые хромосомы, особенно короткие.

После того как в начале профазы происходит распад цитоплазматических микротрубочек, которые входят в состав цитоскилета при этом образуется большой пул свободных молекул тубулина, которые используются снова для построение главного митотического аппарата. А каждая пара центриолей становится частью митотического центра от которого лучами расходятся микротрубочки в форме фигуры в виде звезды, которые в начале профазы около ядерной мембраны.

Хорошо видимое ядрышко, которое есть в начале профазы, к её концу ее исчезает, а в цитоплазме во время профазы образуются нити веретена и формируются как бы два полюса деления, a исчезновением ядерной оболочки говорит нам о том что профаза заканчивается. [10,11]

Также биполярное митотическое веретено образуется в поздней профазе, где пучки полюсных микротрубочек, которые взаимодействуют друг с другом и удлиняются как бы расталкивая два митотических центра друг от друга вдоль наружной поверхности ядра (рисунок 4), так их можно увидеть в световой микроскоп как полюсные нити.

Рисунок 2.3 - Профаза

Прометафаза - после исчезновения ядерной оболочке в результате завершения профазы, после этого наступает прометафаза, которая начинается с быстрого распада ядерной оболочки на мелкие фрагменты, которые трудно отличить от фрагментов цитоплазматического ретикулла, также эти фрагменты остаются видимыми около веретена. Известно, что в клетках млекопитающих прометафаза занимает около 10-20 минут.

В прометафазе митотическое веретено, которое расположенное около ядра может теперь проникать в ядерную область, также в хромосомах с каждой стороны центромеры образуют особые структуры называемые кинетохорами. У каждой из хромосом, оказывается, по одной кинетохорной нити, связанной с каждым из полюсов, в результате чего возникают две противоположно направленные силы, которые приводят хромосому в экваториальную плоскость. На рисунке 5 изображена структура клетки в прометафазе. [10,11]

Таким образом, случайную сегрегацию хроматид между дочерними клетками обеспечивают прометафазные движения хромосом и их случайная окончательная ориентация, которая так важна в митозе.



Рисунок 2.4 - Прометафаза

Метафаза - это третья стадия митоза, часто продолжается длительное время. В метафазе к центромерному району каждой из хромосом прикрепляются нити веретена обоих полюсов, в результате этого хромосома движется до тех пор, пока не займет центральное положение в клетке, а её центромерный район оказывается на равном расстоянии от обоих полюсов, после того как все хромосомы выстроились, наступает стадия метафазы.

В метафазе отчетливо видно, что каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, слегка обособленных друг от друга по длине хромосомы, но которые соединены в центромерном районе также на стадии

метафазы можно хорошо различить хромосомы по расположению центромерного района и их размеру.

Рисунок 2.5 - Метафаза



1 - равноплечие (метацентрические), 2 - неравноплечие (субметацентрические),

3 - палочковидные (акроцентрические), 4-хромосомы с вторичной перетяжкой

Рисунок 2.6 - Метафазные хромосомы

Таким образом, все хромосомы располагаются так, что их центромеры лежат в одной плоскости, а удерживаются они в обманчиво статичном состоянии, сбалансированными полярными силами, за ориентацию хромосом перпендикулярно оси митотического веретена и расположение их на равном расстоянии от обеих полюсов веретена, ответственны кинетохорные нити.

Каждая хромосом удерживается в метафазной пластинке парой кинетохоров и двумя пучками связанных с ними нитей, идущих к противоположным полюсам веретена, метафаза резко оканчивается разделением двух кинетохоров каждой хромосомы. [10,11]

Анафаза - продолжается всего несколько минут, а начинается с внезапным расщеплением каждой хромосомы, которое обусловлено разделением сестринских хроматид в точке их соединения в центромере. На рисунке 8 представлена четвертая стадия митоза.



Рисунок 2. 7 - Анафаза

Расщепление, которое разделяет кинетохоры не зависит от других событий митоза и происходит даже в хромосомах, не прикрепленных к митотическому веретену, расщепление позволяет полярным силам веретена, действующим на метафазную пластинку, начать перемещение каждой хроматиды к соответствующим полюсам веретена со скоростью порядка 1 мкм/мин.

Во время этого анафазного движения кинетохорные нити укорачиваются по мере того, как хромосомы приближаются к полюсам, при мере приближении хромосом к полюсам, во время анафазного движения кинетохорные нити укорачиваются, и в это же время два полюса веретена расходятся еще дальше из за удлинения митотического веретена. [10,11]

Телофаза - в телофазе кинетохорные нити исчезают, разделенные дочерние хроматиды подходят к полюсам. На рисунке 9 представлена очередная стадия митоза.



Рисунок 2.8 - Телофаза

Новая ядерная оболочка образуется после удлинения полюсных нитей вокруг каждой группы дочерних хроматид, и вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка, когда хромосомы претерпевают изменения обратные тем, что происходили с ними в профазе, из компактных они постепенно превращаются в длинные и тонкие, которые не различить в световой микроскоп.

Телофаза заканчивается разделением цитоплазмы - цитокинезом, и на месте материнской клетки возникают две дочерние, конденсированный хроматин начинает разрыхляться, появляются ядрышки, и митоз заканчивается, образуются ядрышки.

Цитокинез - это процесс деления цитоплазмы, он проходит под действием сократимого кольца и начинается обычно в поздней анафазе или телофазе.

Мембрана находящиеся в средней части клетки между двумя дочерними ядрами, начинает втягиваться внутрь, а в плоскости метафазной пластинки под прямым углом к длинной оси митотического веретена образуется борозда деления, которая постепенно углубляется, пока не дойдет до узкого остатка веретена, расположенного между двумя дочерними ядрами.

Остаточное тельце может существовать некоторое время, после чего сужается, потом полностью разрушается, и в конечном счете образуются две полностью разделенные дочерние клетки.

Рисунок 2.9 - Цитокинез

Митотическое веретено определяет место, где происходит разделение цитоплазмы, новая борозда деления появится с новым положением веретена, если с помощью микроманипулятора веретено достаточно быстро передвинуть после его образования, то наметившая борозда деления исчезает, после того когда процесс продолжает достаточно далеко, цитокинез будет продолжаться, даже если удалить веретено микропипеткой или разрушить колхицином,

В животных клетках биосинтез вещества мембран непосредственно перед делением увеличивается, а новая мембрана, по-видимому, хранится на поверхности клетки в виде пузырей.

Также цитокинез сильно увеличивает поверхность клеток, ведь двум дочерним клеткам требуется больше материала плазматической мембраны, чем одной исходной. [10,11]

Значение цитокинеза.

Цитокинез должен обеспечить передачу цитоплазматических органелл обеим дочерним клеткам, доказательством того, что органеллы не могут образовываться без предшествующих копий, служат особенности клеточного деления у некоторых водорослей, имеющих только один хлоропласт или только один аппарат Гольджи.

Органелла, присутствующая в единственном экземпляре, перед цитокинезом расщепляется у них пополам, и по одной половинке старой органеллы попадает затем в каждую дочернюю клетку.

Перед цитокинезом органелла (присутствует в единственном экземпляре), расщепляется у них пополам, и по одной половинке старой органеллы попадает затем в каждую дочернюю клетку. [10,11]

В делящихся клетках борозда деления проходит более или менее симметрично, потому, что дочерние клетки получаются одинаковыми по размеру, в некоторых случаях сократимое кольцо, образуется в таком месте, что получаются дочерние клетки разной величины.

Такое асимметричное деление играет важную роль в оогенезе и часто наблюдается на ранних этапах развития некоторых эмбрионов, когда неоднородная цитоплазма яйца должна быть точно распределена между разными группами клеток, из которых впоследствии образуются различные части эмбриона.

Сила цитокинеза

Силу, которая необходима для цитокинеза, создают актин и миозин, ведь разделение цитоплазмы происходит под действием сократительного кольца, состоящего, главным образом, из актиновых филаментов, и затягивающей, подобно петле, вокруг средней части клетки, этот пучок филаментов, называемый сократимым кольцом должен быть, как то прикреплен к внутренней стороне плазматической мембраны.

До сих пор неизвестно, каким же способом в начале анафазы образуется так называемое сократительное кольцо, электростимуляциями можно активировать сформировавшиеся кольцо, а это значит, что оно готово к делению раньше, чем будет действительно использовано.

Сила, которая создается сократимым кольцом при цитокинезе, достаточно для того, чтобы согнуть токую стеклянную иглу, введенную в клетку, источником силы сокращения служит, так же как и в мышцах, взаимное скольжение актиновых и миозиновых филаментов.

Во время сокращения сократимое кольцо сохраняет постоянную толщину, что позволяет предполагать, что кольцо постепенно уменьшается в объеме за счет потери части филаментов.

После завершения цитокинеза полностью распадается сократимое кольцо, плазматическая мембрана в области борозды деления стягивается, окружая остаточное тельце. [11,12]

Периоды клеточного цикла

Клеточный цикл включает строго детерминированный ряд последовательных процессов. Клетка должна между двумя последовательными делениями удвоить все свои компоненты и свою массу.

Таким образом, клеточный цикл составляют два периода:

1) период клеточного роста, называемый «интерфаза», и

2) период клеточного деления, называемый «фаза М» (от слова mitosis). В свою очередь, в каждом периоде выделяют несколько фаз (рисунок 11).

Рисунок 2.10 - Схема фаз клеточного цикла



Период между фазой М и началом фазы S обозначен как фаза G₁, а период между концом фазы S и последующей фазой М - как фаза G₂.

Период клеточного деления включает две стадии:

1) митоз (деление клеточного ядра)

2) цитокинез (деление цитоплазмы).

Описание клеточного деления базируется на данных световой

микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Период клеточного роста, называемый интерфазой, обычно она занимает не меньше 90% времени всего клеточного цикла. К примеру возьмем клетки высших эукариот, которые делятся очень быстро их последовательные деления происходят один раз в 16-24 часа, и каждая фаза митоза длится 1-2 часа.

Большая часть компонентов клеток на протяжении всей интерфазы синтезируется, и это затрудняет выделение в ней отдельных стадий, после прохождения некоторой точки рестрикции R в позднем периоде перед репликацией ДНК клетки переходят в фазу ДНК синтеза, a фаза G2 нужна для того чтобы подготовить клетку к митозу. [11,12]

У разных организмов длительность митотического цикла варьируется в широких пределах, короткие клеточные циклы были обнаружены у дробящихся яиц некоторых животных, также распространены митотические циклы, которые продолжаются 18-20 часов, и встречаются циклы, которые могут продолжатся несколько суток, а время от деления до деления клеток может значительно отличаться у одного и того же организма.

При изучении длительности клеточных циклов эпителиальных клеток мыши выяснилось, что в двенадцатиперстной кишке эпителиальные клетки делятся каждые 11 ч, в тощей кишке - примерно через 19 ч, в роговице глаза - через 3 суток, а в кожном эпителии от деления до деления проходит больше 24 суток, время, которое клетка тратит непосредственно на деление, составляет обычно 1-3 ч.

Основная часть жизни клетки находятся в интерфазе, название этой стадии возникло еще в прошлом веке, когда о деятельности клеток судили только по изменениям их морфологии, так как единственным инструментом исследования был световой микроскоп, поскольку заметные морфологические изменения клеток происходили во время деления клеток. [11,12]

Появление новых современных методов исследования клетки таких как, электронная микроскопия, авторадиография, стало возможным измерять содержание различных внутриклеточных веществ, с помощью этих методов установлено, что и самой интерфазе происходят важные события клеточной жизни, а также удвоение хромосом.

Интерфазу подразделяют на три периода:

1) пресинтетический (G1)

2) синтетический (S)

3) постсинтетический (G2)

1) Пресинтетический период, он следует за делением клетки, является самым длительным периодом интерфазы, известно, что в эукариотических клетках он продолжается от 10 часов до нескольких суток, в пресинтетическом периоде происходит подготовка клетки к удвоению хромосом, синтез РНК, образование различных белков, которые в частности необходимы для образования предшественников ДНК, и при этом увеличивается количество рибосом, растет число митохондрий и увеличивается шероховатая поверхность эндоплазматической сети. [11,12]

2) Синтетический период, в нем продолжается синтез РНК и белков и происходит удвоение хромосом, происходит процесс репликация ДНК, синтезированная ДНК сразу же соединяется с хромосомными белками.

Репликация ДНК продолжается несколько часов, обычно 6-10, после его окончания каждая хромосома оказывается удвоенной, которая состоит из двух сестринских хроматид, в генетическом отношении хроматиды полностью идентичны друг другу, так как их ДНК состоит из одной материнской и второй вновь синтезированной цепи. [11,12]

Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы.

3) Постсинтетический период, начинается после полного удвоения хромосом, в этом периоде клетка готовится к делению, то есть синтезируются белки микротрубочек, которые во время митоза формируют веретено деления, происходит запас энергии, продолжительность этого периода меньше чем у пресинтетический и синтетический периодов и составляет 3-6 часов. [11,12]

Если в гаплоидном наборе хромосом содержание ДНК обозначить через (С), то сразу после деления в диплоидной клетке имеется 2С-содержание ДНК, а после окончания синтетического периода в диплоидном (2n) наборе хромосом содержится 4С - количество ДНК. Удвоение ДНК митохондрий и хлоропластов может не совпадать по времени с синтетическим периодом: оно происходит независимо от синтеза ядерной ДНК.

Фазы клеточного цикла

Митоз был первой идентифицированной фазой клеточного цикла, а все остальные события, происходящие в клетке между двумя митозами, были названы интерфазой.

После окончания митоза до начала репликации ДНК имеет место G1-фаза клеточного цикла, кажущаяся пауза в активности клетки, во время этой фазы внутриклеточные синтетические процессы подготавливают репликацию генетического материала.

После окончания синтеза ДНК перед началом митоза наблюдается фаза G2, в этой фазе клетка исправляет обнаруженные сбои, и осуществляет контроль за точностью произошедшей редупликации ДНК.

Также известна пятая фаза клеточного цикла, которая называется фазой покоя, она образуется после того когда завершается деление клетки, и если эта клетка не вступает в следующий этап клеточного цикла и длительное время остается в состоянии покоя, из этого состояния клетка может быть выведена внешними стимулирующими воздействиями.

При переходе от одной фазы клеточного цикла к другой происходит упорядоченное переключение синтетических процессов, которые позволяют на молекулярном уровне дифференцировать эти внутриклеточные события, эти фазы не имеют четких временных и функциональных границ. [11,12]

G1 фаза клеточного цикла

В начале анафазы центромеры гомологичных хромосом разъединяются, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам митотического веретена, после этого как к полюсам отойдут полные наборы хроматид, вокруг каждого из хроматид образуется ядерная оболочка, которая формирует ядра двух дочерних клеток. Разрушение ядерной оболочки материнской клетки произошло в конце профазы, дочерние клетки вступают в период G1, и только при подготовке к следующему делению, они переходят в период синтеза ДНК, где и происходит репликация ДНК. [11,12]

G2 фаза клеточного цикла

Если подавить в клетках синтез белков, и это также возможно в конце фазы G2, то клетки не вступают в митоз, это говорит о том, что, белки синтезируемые в этот период необходимы для клеточного деления.

Была выдвинута гипотеза о том что, переход клеток из фазы G2 в фазу митоза, осуществляется незадолго до конца фазы G2 и активируется растворимая протеинкиназа, эта киназа может быть ответственна за фосфолиование белков ядерной ламины, что, в свою очередь, могло бы быть причиной распада ядерной мембраны, происходящего в фазе митоза.

Новое веретено не образуется, даже, несмотря на конденсацию хромосом, при слиянии митотической клетки с интерфазой, это означает, что существенные части молекулярного механизма митотического веретена формируется в поздней фазе G2, после того как она заканчивается, наступает профаза митоза. [11,12]

S фаза клеточного цикла:

После вступления клетки в фазу репликации ДНК происходит быстрая деградация циклина Е и активация CDK2 циклином А, циклин Е начинает синтезироваться в конце G1 фазы и его взаимодействие с CDK2 является необходимым условием для вступления клетки в фазу репликации ДНК и продолжение синтеза ДНК в клетке, комплекс CDK2 активирует синтез ДНК через фосфолирование белков в областях начала репликации. Циклин E необходим клеткам для вступления в фазу репликации ДНК, он связывается преимущественно с CDK2, хотя может образовывать комплекс и с CDK1.

Сигналом к завершению синтеза ДНК и переходу клетки к фазе G2 является активация циклином A другой киназы CDK1 с одновременным прекращением активации CDK2, для контроля полноты и точности произошедшей репликации хромосом, которая использует клетка, служит задержка между синтезом ДНК и началом митоза. [11,12]

При стимуляции факторами роста клеток млекопитающих, находящихся в состоянии пролиферативного покоя, циклины D - типа появляются раньше, чем циклин E, мРНК и белок циклина D1 впервые появляются через 6-8 часов, после чего уровень D1 остается повышенным до конца клеточного цикла, когда из среды убирают ростовые факторы, уровень циклинов D-типа стремительно падает, так как D - циклины и их РНК нестабильны.

Циклин D1 ассоциируется с CDK4 непосредственно перед началом синтеза ДНК, уровень содержания комплекса достигает пика в ранней S - фазе, прежде чем снизиться в поздней S и в G2 - фазе, циклины D2 и D3 действуют в G1 - периоде несколько позже, чем циклин D1.

Гиперэкспрессия циклинов D - типа (пятикратная по отношению к нормальной) при снижении потребности клеток в факторах роста и укорочении G1 - фазы приводит к уменьшению размеров клетки. Уровень мРНК и белка циклина E, а также активность комплекса циклин - E - CDK2 достигают максимума при переходе G1 - S и резко снижаются, когда клетки проходят среднюю и позднюю S-фазы, при микроинъекции антител к циклину E в клетки млекопитающих в них происходит подавление синтеза ДНК.

При гиперэкспрессии циклина E клетки быстрее проходят G1-фазу и вступают в S, и таким клеткам требуется меньшее количество факторов роста. [11,12]

2.3 Контрольные точки клеточного цикла

В клеточном цикле постулировано существование так называемых «сверочных точек» (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок.

Рисунок 2.11 - Схема клеточного цикла, точка рестрикции

Выделяют четыре такие точки: точка в G1, точка в S, точка в G2 и «точку проверки сборки веретена деления» в митозе.

Предполагается, что механизм регуляции клеточного роста, включающий специфическую точку рестрикции R, мог возникнуть потому, что клеткам, которым из-за условий существования или взаимодействия с другими клетками необходимо перестать делиться, нужны безопасные точка для остановки (R), клетки остановленные в этом покоящемся состоянии вступают в фазу G0 клеточного цикла.

Обычно выделяют два критических перехода между фазами G1/S и G2/M, но позже были обнаружены и другие точки.

Сверочная (контрольная) точка рестрикции в G1

Основное требование к клетке, вступающей в фазу репликации ДНК, является интактность ДНК, так как синтез поврежденной ДНК приведет к передаче генетических аномалий потомству, поэтому клетки, подвергшиеся мутагенным воздействиям, вызывающим разрывы ДНК при ультрафиолетовом и g-облучение, алкилирующие соединения и другие, останавливаются в G1 и не входят в дальнейшую фазу. [7,9]

Остановка в G1 наблюдается не только после ДНК повреждающих воздействий, но и при других состояниях, в том числе приводящих к нарушениям числа хромосом, при незавершенности предыдущего клеточного цикла митозом, при неправильной сегрегации хромосом во время митоза, приведшей к образованию микро ядер, а также при разрушении микротрубочек