Митоз, модель молекулярного уровня.

Свободная энциклопедия пишет:

“Мито́з (греч. μιτος — нить) — непрямое деление клетки, наиболее распространенный способ репродукции эукариотических клеток”.

В статьях о репликации мы описали процесс удвоения молекулы ДНК, а в этом разделе попытаемся описать процесс “удвоения” всей клетки

При репликации молекулы получаются идентичными, а при репродукции клетки могут быть не тождественны, вернее их элементы или их наличие.

Естественно, что клетку начали изучать раньше, нежели ее составляющие, молекулярная биология тогда еще была плохо развита, поэтому процесс деления клетки больше пытались объяснить законами механики, что вполне справедливо, но не до конца понятно. Тем более что под микроскопом было видно, как что-то там двигается, а потом и вовсе разбегается. Оставалось найти причины и силы, задействованные в этом явлении. И в настоящее время, несмотря на успехи молекулярной биологии, она больше апеллирует к обычной механике, чем к квантовым явлениям.

Вот, например, как красочно описывает процесс деления клетки, видимый в микроскоп, Галина Костина в статье “Полчаса митоза”:

“На экране появляется нечто, похожее на большое блюдце с шевелящимися червячками. Какое-то время они беспорядочно толкутся, но вдруг как по команде начинают выстраиваться ровно посредине «блюдца». Несколько мгновений этот живой диаметр подрагивает, как вдруг невидимые ножницы разрезают его вдоль, и «червячки» синхронно разбегаются к двум «полюсам» по краям «блюдца»”.

“Блюдце — клетка, а червячки — хромосомы. И эта завораживающая картина до сих пор является для ученых загадкой, несмотря на то что митоз изучают очень давно”.

Примерно такую картину могли наблюдать ученые со времени изобретения микроскопа, но большего в обычный микроскоп ничего увидеть было не возможно. С развитием инструментария появляются новые возможности для рассмотрения других деталей клетки. Электронный микроскоп позволил увидеть веретено деления, которое выполняет функцию “невидимых ножниц”. Увидеть центросому, центриоли и т.д. То есть опытного и экспериментального материала много, только его необходимо верно интерпретировать. Как же с этим справляется молекулярная биология?

Теоретически клеточный цикл эукариотических клеток разбит на две фазы: интерфазу и фазу деления. Практически интерфаза – это жизнь клетки, а фаза деления – это рождение клетки. В фазе деления различаются два периода: кариокинез (митоз) и цитокинез. Эти фазы следуют друг за другом. В интерфазе делится ДНК, в фазе митоза делится ядро, а в фазе цитокинеза делится вся клетка. Деление на фазы не имеет четких границ и фазы могут частично накладываться друг на друга.

Фаза митоза в свою очередь делится на 5 таких периодов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза. Анафаза и телофаза дают начало фазе цитокинеза. Что же происходит с элементами клетки в эти периоды?

1. В интерфазе молекула ДНК разделилась на две сестринские молекулы. Это две линейные молекулы. Каждая из них начинает синтезировать ядерные белки – гистоны. Существует пять различных типов гистонов, названных H1, H2A, H2B, H3 и H4. Для синтеза этих белков не требуется никакая РНК и рибосома. Именно гены этих белков так энергетически организованы (в процессе эволюции), что при соответствующей энергии поступающих на них фотонов, их хиральные узлы начинают светиться светом, который является резонансным для оснований, закрепленных на аминокислотах. Под воздействием этого света транспортные РНК движутся к хиральным узлам ДНК, где объединяются в молекулу белка. Отдельные азотистые основания не понимают этот свет и поэтому РНК не образуется. В данном случае это звено оказывается излишним при синтезе древних белков.
2. В профазе белки H2A, H2B, H3 и H4 образуют структуру, вокруг которой ДНК обвивается примерно 1,8 раз. А белок Н1 участвует в образовании спиралевидной формы молекулы. Продолжается дальнейшая конденсация хромосом.

Параллельно с этим в цитоплазме клетки идет образование веретена деления. Во многих эукариотических клетках есть органоид – центросома, представляющая собой аморфное скопление фибриллярных белков. Также в состав центросом входят пары центриолей. Центриоли представляют собой микротрубочки из белка тубулина. Центриоли можно наблюдать электронным микроскопом в светлом окружении цитоплазмы, от которой радиально отходят тонкие фибриллы. Это и есть центросома или клеточный центр, главным звеном которого являются центриоли. Откуда же берутся эти центриоли? Википедия по этому поводу пишет следующее:

“Обычно в течение клеточного цикла центриоль удваивается один раз. Рядом с каждой половинкой «материнской» центриоли достраивается «дочерний» цилиндрик; происходит это, как правило, в течение S-периода интерфазы. В профазе митоза две центриоли расходятся к полюсам клетки и формируют две центросомы. Центросомы в свою очередь служат ЦОМТами (центрами организации микротрубочек) веретена деления”.

Заметим, что центриоли удваиваются в интерфазе, то есть в тот период, когда реплицируется ДНК.Получается так, что на одну ветвь приходится одна центриоль, и это не случайное совпадение, и не случайно то, что появляется α- и β-тубулин. Каждая ветвь ферментирует свою центриоль, центриоли запоминают это явление и поэтому при разборе хромосом не происходит никакой путаницы. 

После удвоения центриоли начинают расходиться в противоположные стороны от экваториальной плоскости клетки под воздействием растущих микротрубочек.

“Наряду с наблюдаемыми изменениями динамических свойств микротрубочек, слагающих нити веретена, в профазе закладываются полюса деления. Реплицированные в S-фазе центросомы расходятся в противоположных направлениях за счёт взаимодействия полюсных микротрубочек, растущих навстречу друг другу. Своими минус-концами («-»-концами) микротрубочки погружены в аморфное вещество центросом, а процессы полимеризации протекают со стороны плюс-концов, обращенных к экваториальной плоскости клетки. При этом вероятный механизм расхождения полюсов объясняется следующим образом: динеино-подобные белки ориентируют в параллельном направлении полимеризующиеся плюс-концы полюсных микротрубочек, а кинезино-подобные белки в свою очередь расталкивают их в направлении к полюсам деления”.         

В Википедии происходит небольшая путаница: в последней цитате говорится, что “Реплицированные в S-фазе центросомы расходятся…”,а в цитате выше говорится, что “В профазе митоза две центриоли расходятся к полюсам клетки и формируют две центросомы”.        

Но еще интересней механизм, правда, всего лишь вероятный, расхождения, а точнее расталкивания, полюсов. Как можно представить механизм ориентации трубочки молекулами белка? Если белок монтирует микротрубочку, как печник трубу, то он должен понимать направление или быть самому сориентированному. Если он работает как фильера, то должен иметь цилиндрическое отверстие, подходящее по размеру к размеру микротрубочки и опять должен быть сам сориентирован. Что может сориентировать этот денеино-подобный белок в тепловом хаосе цитоплазмы? Может цитоскелет? Так почему бы цитоскелету не сориентировать саму трубочку? А кинезино-подобный белок толкает микротрубочку согласно третьему закону Ньютона или он во что-то упирается? Может быть, в цитоскелет или в противоположную трубочку? Такие же вопросы возникают и относительно «-»-концов. Во что они упираются? Ибо если верить Большой советской энциклопедии  “Она (центросома – авт.) плотнее остальной части цитоплазмы, её можно растягивать и передвигать при помощи микрургических операций”. То есть центросома плотнее цитоплазмы, но она может быть мягче микротрубочки. Как микротрубочка может двигать эту мягкую массу? Она просто проткнет ее.  

Одновременно с конденсацией хромосом и формированием веретена происходит “фрагментация эндоплазматического ретикулума, который распадается на мелкие вакуоли, расходящиеся затем к периферии клетки”.

О силах, которые разрывают ретикулум на части, ничего не говорится. Если хаотическое расхождение вакуолей можно было бы объяснить тепловым движением, то чем обуславливается целенаправленное движение вакуолей к периферии клетки?         

3. Прометафаза начинается после распада ядерной мембраны. Сначала наблюдается беспорядочное и интенсивное движение хромосом. Затем хромосомы устремляются к одному из полюсов, где к ним присоединяются синтезируемые плюс-концы микротрубочек. Но в это же время растут микротрубочки и с противоположного полюса, они тоже достигают хромосомы и тянут их к экваториальной плоскости, где достигается равновесие сил. У млекопитающих прометафаза длится примерно 10-20 минут.
4. Метафаза самый длительный период митоза. В этот период синтезируется максимальное количество микротрубочек. Хромосомы все это время располагаются в экваториальной плоскости, совершая относительно ее небольшие колебания. В этот период наращивается количество микротрубочек. К окончанию метафазы сестринские хромосомы слегка расходятся и соединяются в области центромер.
5. В анафазе хромосомы быстро расходятся к полюсам. Предполагается, что хромосомы растаскиваются к полюсам благодаря микротрубочкам. Гипотез по поводу механизма расхождения хромосом пока обнаружено две.

По одной из них  белки денеины прицепляют к себе хромосомы и тянут их механически в нужном направлении. Эти денеины устроены чудесным образом: у них есть две тяжелые (по 520 кДа) полипептидные цепи, которые обеспечивают движение белка по микротрубочке, а чтобы белок не свалился с микротрубочки “один из «стеблей» головок динеина всегда прикреплен к микротрубочке”. Две средние полипептидные цепи (74 кДа) служат крюками для навешивания на них грузов. То есть денеины это небольшие тягачи для транспортировки микрогрузов в клетке. Назначение других полипептидных цепей (53-59 кДа) пока неизвестно, возможно, некоторые из них будут выполнять роль вала отбора мощности.

Вторая модель, предложенная  другими исследователями, отличается от первой модели тем, что моторные белки работают не в режиме тяги, а в режиме толкания. О ее сути рассказывается в выше упоминаемой статье “Полчаса митоза”.   

“Когда ученые из Стэнфорда Д. Друбин и Дж. Барнс выделили белки, из которых в их опытах собиралось колечко на микротрубочке, исследователи митоза страшно обрадовались. Сложилась вполне логичная гипотеза: микротрубочка не просто утыкается в хромосому — на ней образуется кольцо, к кольцу цепляется «висюлька». После разрезания (хромосом – авт.) концы трубочки выгибаются и давят на кольцо. Оно под давлением начинает съезжать по трубочке и тащить за собой хромосому. Но это были лишь теоретические построения, проверить которые не позволяли ни микроскопы, ни биохимические методы, ни рентгеноструктурный анализ. Пока не появился лазерный пинцет”.

“Висюльки” прикреплены к хромосоме.

Данный лазерный пинцет сконструировал ученый Фазли Атуаллаханов. Принцип действия лазерного пинцета был предложен А. Эшкиным:

“В середине восьмидесятых А. Эшкин показал, что сильно сфокусированный лазерный луч способен втягивать в себя небольшие объекты вблизи точки фокусировки. Сила его невелика — всего лишь пиконьютоны, но она способна передвигать объекты микро— и наноразмеров”.        

`При помощи этого пинцета ученые сконструировали заглушенную крышечкой на конце микротрубочку,  на микротрубочке построили кольцо, к нему прикрепили шарик. После того как срезали крышечку микротрубочка стала распадаться и выгибаться наружу. Ее фрагменты начинали давить на кольцо, и оно заскользило по трубочке. Шарик поехал. Единство теории и практики на лицо, но ученых что-то в этих явлениях не устраивает:

“И сейчас группа Фазли Атауллаханова и сотрудники лаборатории Макинтоша ставят новые эксперименты. Они хотят увидеть, как будет работать эта конструкция. Еще один вариант эксперимента — сможет ли работать конструкция без кольца, если зацепить «висюльку» с шариком прямо на трубочку. Есть и такая гипотеза. Работа пока не закончена”.

Анафазу делят на анафазу А и анафазу В. В анафазе А наблюдается расхождение хромосом, а в анафазе В происходит расхождение полюсов деления клетки. Это расхождение, как полагают, обуславливается как давлением растущих микротрубочек со стороны экваториальной плоскости, так и тянущей силой астральных микротрубочек со стороны плазматической мембраны.

6. Телофаза начинается с момента остановки разделённых сестринских хроматид у противоположных полюсов деления клетки.В ранней телофазе происходит частичная деконденсация хромосом и начинается строительство ядерных оболочек. Материалом для строительства ядерных оболочек, предполагается, служат элементы материнской распавшейся оболочки. Но этого естественно не достаточно – с одной оболочки нельзя построить две, да и вряд ли все фрагменты распавшейся ядерной оболочки соответствуют параметрам технологических процессов при строительстве новых оболочек. Мембранные пузырьки начинают сливаться друг с другом, а некоторые из них связываются с хромосомами. Так постепенно образуется внутренние и наружные ядерные мембраны. Одновременно с этим происходит процесс распада микротрубочек.

Параллельно с этими процессами начинается фаза цитокинеза. У животных деление клетки осуществляется так называемой поперечной перетяжкой клетки. Еще в анафазе “в плоскости метафазной пластинки под мембраной клетки возникает сократимое кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. В дальнейшем, вследствие активности сократимого кольца, образуется борозда деления, которая постепенно углубляется вплоть до полного разделения клетки”.

К сожалению нигде не раскрывается понятие активности сократимого кольца.  В самом деле, какова бы не была эластичность данных филаментов, она будет недостаточна, чтобы сократится от размеров метафазной пластинки и почти до нуля. Следовательно, должен быть какой-то механизм убытия молекул белка из данных филаментов. В микротрубочках мы наблюдали убытие или прибавление молекул тубулина, из-за чего микротрубочка что-то тянула или толкала. Или, возможно, филаменты стягивают плазматическую мембрану до определенного размера, а потом мембрана стягивается сама?

Интересно было бы узнать, было ли кольцо, хотя бы и из других элементов, при делении протеиноидных микросфер С. Фокса или коацерватов А. И. Опарина?

В рассмотренной схеме цитокинеза ничего не говорится о разделении по клеткам митохондрий, аппарата Гольджи, рибосом, лизосом и т.д. Мало того часто упоминается, что в результате этого деления могут образоваться не две дочерние клетки, а больше. Как в этом случае распределяются органоиды материнской клетки по дочерним клеткам?

Примерно такая схема деления животной клетки представляется ученым сообществом с точки зрения молекулярной биологии. А как представляются все эти процессы с точки зрения квантовой биологии?