В процессе жизненного цикла клетка удваивает свое содержимое и делится на
две. В организме млекопитающего для поддержания жизни производятся ежесекундно
миллионы новых клеток. Нарушение регуляции пролиферации клеток проявляется как
онкологическое заболевание. Этим вызван большой интерес к изучению и
моделированию механизмов регуляции клеточного деления. {{[75104, 75110]}}
.
Клеточный цикл состоит из двух периодов:
Митоз (М-фаза)
включает
разделение предварительно удвоенного ядерного материала, деление ядра и
деление самой клетки - цитокинез и занимает около часа.
интерфаза
, включающая стадию роста
G1
, фазу репликации
ДНК (S
), фазу подготовки к
делению G2
.
Клеточный цикл регулируется генами и белками-ферментами двух основных
классов. Циклин-зависимые протеин-киназы (Cdk
) индуцируют
последовательность процессов путем фосфорилирования отдельных белков. Циклины,
которые синтезируются и деградируют при каждом новом цикле деления, связываются
с молекулами Cdk
и контролируют их способность к
фосфорилированию, без циклина Cdk
не активны. Количество
этих молекул-регуляторов различно в разного вида клетках. В делении дрожжевой
клетки основные роли играют один Cdk
и девять циклинов,
которые образуют девять разных циклин-Cdk комплексов
. У
гораздо более сложно организованных млекопитающих изучено шесть Cdk
и полтора десятка циклинов. Контроль выхода клетки из G1
, и G2
фаз
осуществляют промотор-фактор S-фазы
(SPF
) и промотор-фактор M-фазы
(MPF
), представляющие собой гетеродимеры. Cуществует особая
контрольная точка клеточного цикла (Start
), с которой
заканчивается рост (G1 фаза
) и начинается
процесс синтеза ДНК.
![]() |
Рис. 11. Схема клеточного
цикла. |
Простая модель процесса предложена Тайсоном (Tyson,
1995
). Постулируется существование фактора транскрипции
SBF
, который может быть в активной Sa
и
пассивной Si
форме. Он переходит в активную
форму под действием циклина Cln
(N
) и Start-киназы
(Cdc28-Cln3
) (A
) и инактивируется другим
веществом (E
). Циклин продуцируется путем активации SBF
и деградирует. SBF
активируется
Chu
и Start-киназой
и
инактивируется фосфатазой. Безразмерная модель процессов имеет вид:
Модель имеет одно или три стационарных решения (два устойчивых) в засимости
от значений параметров, и при увеличении параметра a
(в процессе роста клетки) описывает
переключение системы из G1
в S
фазу.
Добавление двух уравнений сходного вида позволяет описать также переключение
из G2
в фазу митоза M
.
Полная модель, учитывающая и другие регуляторные ферменты в фосфорилированной и
дефосфорилированной форме содержит 9 нелинейных уравнений (Novak, Tyson 1993
) и хорошо описывает кинетику деления
ооцитов Xenopus. При соответствующем подборе параметров она применима к описанию
деления других типов клеток. Большое количество работ было посвящено попыткам
моделирования периодического воздействия на клеточный цикл с целью оптимизации
параметров рентгено- радио- или хемотерапии при воздействии на клетки
онкологических опухолей.
В современной литературе по математической биологии рассмотрены тысячи автоколебательных систем на разных уровнях организации живой природы. Несомненно, колебательный характер процессов - эволюционное изобретение природы, и их функциональная роль имеет несколько разных аспектов. Во-первых колебания позволяют разделить процессы во времени, когда в одном компартменте клетки протекает сразу несколько различных реакций, организуя периоды высокой и низкой активности отдельных метаболитов. Во-вторых, характеристики колебаний, их амплитуда и фаза, несут определенную информацию и могут играть регуляторную роль в каскадах процессов, проходящих на уровне клетки и живого организма. Наконец, колебательные (потенциально или реально) системы служат локальными элементами распределенных активных сред, способных к пространственно-временной самоорганизации, в том числе к процессам морфогенеза.
Внутриклеточные колебания задают эндогенные биологические ритмы
(биологические часы), которые свойственны всем живым системам [
.
Именно они определяют периодичность деления клеток, отмеряют время рождения и
смерти живых организмов. Модели колебательных систем типа (27-30)
используются в ферментативном катализе, теории иммунитета, в теории
трансмембранного ионного переноса, микробиологии и биотехнологии.
Дополнительная информация:
© 2001-2025 Кафедра биофизики МГУ