1. Общая характеристика процесса клеточного деления

Процесс клеточного роста и деления состоит из пяти стадий:

1) накопление «критической» клеточной массы (объема), индуцирующей деление;

2. репликация ДНК генома;

3. построение новой клеточной оболочки (клеточной стенки и цитоплазматической мембраны), обеспечивающей рост клетки;

4. построение клеточной перегородки — собственно деление;

5. расхождение дочерних клеток.

В зависимости от вида микроорганизма некоторые из этих стадий протекают одновременно (параллельно), другие совершаются последовательно; наконец, некоторые из них вообще могут отсутствовать у данного вида микроорганизма. Например, деление клеток может осуществляться:

без участия клеточной стенки (микоплазмы, L-формы и протопласты некоторых бактерий);

при отсутствии этапа расхождения дочерних клеток (стрептококки, сарцины, нитчатые формы бактерий, микроорганизмы, образующие трихомы, и др.).

2. Накопление критической клеточной массы и репликация днк генома

Процессы накопления критической клеточной массы и репликации ДНК являются подготовительными этапами к процессу собственно деления клетки. Процесс накопления биомассы регулируется механизмами биосинтеза макромолекулярных клеточных компонентов, которые рассматривались ранее. Специальные механизмы включают процесс деления клетки при накоплении критической (пороговой) биомассы. В процессе репликации в молекуле ДНК возникает репликативная вилка; по мере разделения цепей ДНК вилка продвигается, что сопровождается репликацией обеих цепей. Синтез ДНК регулируется с большой точностью, и при делении каждая дочерняя клетка получает полный набор генетического материала. Данные, полученные главным образом при исследовании Е. coli, указывают, что распределение ДНК между дочерними клетками является следствием роста клетки. Кольцевал хромосома прикреплена к определенному участку цитоплазматической мембраны. После репликации новообразованная хромосома оказывается прикрепленной к соседнему участку мембраны. Эти два участка отделяются друг от друга благодаря росту находящейся между ними мембраны и последующему образованию перегородки между двумя хромосомами.

Если репликация по какой-либо причине не закончилась, деления клетки не происходит, что свидетельствует о наличии причинно-следственной связи между окончанием репликации хромосомы и последующим делением клетки. После завершения репликации хромосомы начинается ряд метаболических событий, которые в конце концов приводят к делению клетки.

Цикл деления состоит из двух периодов со строго определенной продолжительностью: времени, необходимого для репликации хромосомы, которое мы можем обозначить R, и времени между окончанием репликации и клеточным делением, которое мы обозначим D. Независимо от скорости роста деление клетки E.coli при 37°С всегда происходит примерно через 20 мин после завершения репликации хромосомы. В случае культуры Е. coli, растущей при 37°С, R и D равны 40 и 20 мин соответственно (независимо от скорости роста).

Периоды R и D могут совпадать или проходить последовательно.

Если культура растет с временем удвоения (временем генерации), примерно равным R, то очередной цикл репликации хромосомы начинается и продолжается в течение предшествующего клеточному делению периода D продолжительностью 20 мин. При этих условиях в каждую дочернюю клетку попадает хромосома, уже содержащая две репликативные вилки.

Если время удвоения превышает D (40 мин), то часть периода D, в течение которого не происходит репликации хромосомы, увеличивается. Вследствие этого в момент деления дочерние клетки получают хромосомы со все более укорачивающимися репликативными вилками.

Если время генерации превышает R+D (т.е. больше 60 мин), дочерние клетки получают хромосомы без репликативных вилок, так как реинициация репликации хромосомы всегда начинается за 60 мин до следующего клеточного деления.

Следовательно, в клетках, у которых время генерации равно или превышает R, координация синтеза ДНК и деления клетки достигается двумя путями: во-первых, репликация хромосомы начинается через промежутки времени, равные времени удвоения культуры, и, во-вторых, инициация синтеза происходит за 60 мин до деления клетки.

О тесной связи между синтезом ДНК и делением клеток свидетельствует то, что самые разнообразные химические вещества или мутации, иигибируют синтез ДНК, одновременно подавляют деление клетки.