CICLUL CELULAR
Organismele vii sunt compuse din celule, a cror cretere i diviziune necesit succesiunea programat a unor evenimente i procese care formeaz ciclul celular . Unele din aceste procese
sunt continue, ca de exemplu sinteza proteinelor sau a lipidelor.
Altele, de exemplu sinteza ADN, din contra, sunt procese
discontinui i depind de procesul de diviziune celular. Fiecare ciclu celular cuprinde dou perioade dinamic i calitativ distincte: interfaza  i mitoza (fig.13.1). Se accentueaz c  procesul multiplicrii celulare are la origine replicarea ADN-
ului cromozomial, replicare care are loc în perioada interfazic S.
13
 
204
Interfaza
Interfaza ocup cea mai mare parte din durata ciclului celular (90%), constituie perioada în care celula desfoar o susinut activitate biosintetic (sinteza de ADN, ARN,  proteine), asigurând condiiile necesare realizrii diviziunii celulare. In cadrul acestei etape au fost descrise trei perioade
distincte:
-  decondensarea cromatinei  –  proces important pentru
activarea transcripiei genelor;  -  reorganizarea nucleolilor;
-  cromozomii sunt monocromatidieni i se caracterizeaz prin set diploid (2n = 2c). 
  Perioada S –   perioada sintetic, se caracterizeaz prin: -  replicarea semiconservativ asincron a moleculelor
de ADN;
-  dublarea cantitatii de ADN ;  -  cromozomi bicromatidieni (2n = 4c);
-  sinteza simultan de proteine histone i nehistone implicate în sinteza i compactizarea ADN; 
-  dublarea centriolilor (fig. 13.2).
  Perioada G2 –   perioada postsintetic sau premitotic –  care se caracterizeaz prin: 
 
sau mitoza, se încheie cu diviziunea citoplasmei   sau
citochineza.
Mitoza i citochineza ocup o scurt perioad de timp (10%) din durata desfurrii ciclului celular, numit perioada mitotic (M). Mitoza, odat declanat, este un proces continuu. Dar pentru studiu i descriere, a fost împrit în patru etape:  profaza, metafaza, anafaza i telofaza.
Profaza. Se caracterizeaz prin prezena în nucleu a cromozomilor bicromatidieni (2n=4c). Aceste cromatide, unite
la nivelul centromerului, reprezint imaginea citologic a  procesului chimic de replicare a ADN-ului. Cromozomii se
condenseaz puternic, se îngroa i devin vizibili. Pe ambele  pri ale centromerilor se maturizeaz câte un kinetocor.  La
sfâritul profazei nucleolul dispare iar membrana nuclear disociaz. Concomitent se organizeaz aparatul de diviziune: centriolii se deplaseaz spre polii opui ai celulei, se formeaz fusul de diviziune prin asamblarea microtubulilor.
Fig. 13.2. Ciclul centriolilor
Metafaza. Firele fusului de diviziune unesc centriolii i cromozomii prin intermediul kinetocorilor. Cromozomii sunt
dispui în plan ecuatorial, formând placa ecuatorial. La aceast faz cromozomii sunt maximal condensai i prezint forma optim pentru studiul citologic.
Anafaza.  Începe prin clivarea longitudinal a centromerului fiecrui cromozom, separarea celor dou cromatide surori i migrarea lor simultan spre polii opui ai celulei (fig. 13.3). La aceast faz cromozomii devin monocromatidieni, iar celula are un set tetraploid de cromozomi
(4n = 4c).
Telofaza. În telofaz se încheie migrarea cromozomilor fii ctre polii celulei, fiecare pol coninând 2n cromozomi
monocromatidieni (set diploid). Începe decondensarea  progresiv a cromozomilor i revenirea la starea cromatinei
Fig. 13.3. Mecanismul micrii filamentelor fusului de diviziune 
 
disociaz. Se reasambleaz membrana nuclear în jurul fiecrui grup de cromozomi. Reapar nucleolii.
Citochineza  definete fenomenul de diviziune, în care are loc separarea masei citoplasmatice în dou jumti i a organitelor citoplasmatice în cele dou celule. La celulele animale diviziunea citoplasmatic se realizeaz prin clivare.
Fiecare celul fiic motenete în urma citochinezei un set de componente celulare. Deoarece, cu excepia nucleului, organitele celulare nu se pot duplica în absena unei copii  preexistente, în celula parental are loc dublarea constituenilor celulari înaintea declanrii citochinezei. Duplicarea organitelor celulare se realizeaz prin mecanisme diferite. Mitocondriile cresc i se divid prin fisiune semiautonom. Aparatul Golgi i RE se fragmenteaz în vezicule din care vor fi constituite noile organite celulare, în timp ce ribozomii se multiplic prin asamblarea elementelor constituente (ARNr i proteine ribozomale). Se apreciaz c celula nu dispune de un mecanism specializat de distribuire a organitelor celulare, astfel încât celulele fiice nu sunt identice dup coninutul citoplasmatic. Totodat replicarea ADN în interfaz i mitoza asigur formarea celulelor identice genetic atât între ele cât i cu celula mam.
Diviziunea mitotic st la baza înmulirii celulelor somatice, asigur creterea organismului pluricelular, determin  biomasa organismului i regenerarea esuturilor.
Reglarea ciclului celular
 
superioare ciclul celular dureaz 10-25 ore, din care diviziunea
celular dureaz o or. Perioada G1 are durata cea mai variabil, în timp ce perioada S este cea mai constant pentru un anumit tip celular.
Dup ce au depit perioada G1, timpul necesar pentru  perioada S i G2, deci pân la începutul diviziunii este foarte constant pentru diferite celule. De acea s-a introdus noiunea de punct de restricie (punct R) pentru momentul imediat, urmat
de sfâritul perioadei G1, care trebuie depit pentru ca celula s  poat parcurge etapele urmtoare ale ciclului celular (fig. 13.4).
Un alt punct de restricie se afl spre sfâritul perioadei G2. Inhibarea sintezei proteinelor în aceast faz împiedic intrarea celulei în mitoz. Se consider c o proteinkinaz solubil (o enzim ce catalizeaz fosforilarea proteinelor) este activat spre sfâritul perioadei G2 i acioneaz asupra  proteinelor din lamina nuclear i asupra histonelor H1. Fosforilarea proteinelor din lamina nuclear induce dezasamblarea înveliului nuclear, pe când fosforilarea histonelor H1 produce condensarea cromozomilor, fenomen
caracteristic mitozei.
Reglarea succesiunii evenimentelor ciclului celular
Acurateea proceselor de replicare i segregare a ADN depinde de succesiunea evenimentelor ciclului celular într -o ordine strict, astfel încât, declanarea unui nou eveniment s survin doar în urma încheierii complete a evenimentului  precedent.
 
-  derularea replicrii materialului genetic nuclear este controlat de alt  factor  –   semnal de întârziere a perioadei
mitotice;  -  declanarea procesului mitotic, în care are loc segregarea
materialului genetic, este dirijat de  factorul de activare a mitozei (M-phase promoting factor: MPF ). 
Factorii de cretere 
factorii de cretere ai unor celule (nervilor, fibroblastelor),  poliamine (putrescina), hormoni (în special estrogenii). Exist i factori tisulari, care inhib diviziunile celulare cum sunt chalonele (peptide sau glicoproteine) (tab. 13.1).
Tabelul 13.1. Factorii de cretere i aciunea lor asupra
celulelor int 
Factorul de cretere epidermal –  EGF
Stimuleaz proliferarea mai multor tipuri celulare
Factori de cretere de tip insulinic –  IGF1, IGF2
Stimuleaz proliferarea adipocitelor i a celulelor din esutul conjunctiv  
Factorul de cretere a fibroblatilor –  FGF
Stimuleaz proliferarea: fibroblatilor, celulelor endoteliale i mioblatilor  
Factorul de cretere neuronal  –  NGF
Induce cretere axonal i viabilitatea neuronilor simpatici i senzori  
INTERLEUKINA 2 –  IL2 Stimuleaz proliferarea limfocitelor T  
INTERLEUKINA 3 –  IL3
ERITROPOIETINA Stimuleaz proliferarea celulelor precursoare ale eritrocitelor
Factori de stimulare a
Factori de stimulare a
coloniilor de macrofage –   M-CSF
 
Competiia celulelor pentru factorii de cretere menine constant densitatea populaiei celulare. În momentul în care densitatea populaiei celulare depete o valoare prag, concentraia factorilor de cretere scade i în consecin diviziunea celular este oprit. 
Ciclinele
Descoperirea ciclinelor i a  protein-kinazelor   dependente de cicline (cdk ) a permis interpretarea corect a mecanismelor ce regleaz ciclul celular.
Ciclinele reprezint un grup restrâns de proteine a cror sintez se realizeaz într -un mod dependent de perioadele ciclului celular. Ele activeaz cdk, formând cu acestea complexe ce prezint activitate kinazic. Pe parcursul formrii complexelor, ciclinele induc modificri conformaionale i de locaie a cdk ceea ce confer acestora specificitate în folosirea diferitelor substraturi. Specificitatea activitii catalitice a complexelor ciclina /cdk st la baza parcurgerii de ctre celul a ciclului celular.
Evenimentele ce marcheaz intrarea celulei în perioada mitotic sunt rezultatul fosforilrii directe sau indirecte a unor  proteine de ctre MPF. Prin fosforilarea laminelor nucleare, MPF declaneaz dezorganizarea membranei nucleare. Fosforilarea histonei H1, proces ce iniiaz condensarea cromatinei, este catalizat de proteinkinaz, enzim activat prin fosforilare de ctre MPF. Se consider c un mecanism indirect similar de fosforilare st la baza asamblrii fusului de diviziune. Ciclinele i protein-kinazele dependente de cicline constituie
componentele motorului ciclului celular (fig. 13.4).  
Ciclinele se clasific în trei grupe (fig. 13.5):
1.  ciclinele perioadei G1 –  ciclinele D i E;  2.  ciclinele perioadei S –  ciclina A;
3.  ciclinele perioadei G2 –  ciclina B.
 
Fig. 13.5. Activitatea ciclinelor în ciclul celular 
 
Organismele multicelulare i-au dezvoltat sisteme
complexe de comunicare între celulele care le alctuiesc. Prin intermediul acestor sisteme se asigur reglarea dezvoltrii i organizrii esuturilor, controlul creterii i proliferrii, coordonarea activitii celulelor, esuturilor i organelor. Sunt descrise dou clase principale de gene care codific proteine implicate în reglarea ciclului celular: protoncogenele i genele supresoare de tumori (antioncogene).
Protooncogenele reprezint o clas eterogen de secvene de ADN, aflate în celulele normale, ale cror funcii se exercit în cadrul proceselor de cretere, proliferare i difereniere celular. Acestea codific factori de cretere, receptori ai factorilor de cretere, cicline i ali mitogeni. Protooncogenele sunt active în celulele embrionare, iar la adult  –   doar în celulele esuturilor  proliferative (celulele epiteliale, celulele hematopoezei). Prin
mutaii, eveniment accidental, protooncogenele se pot transforma în oncogene (de ex., c-bcl, c-myc, c-ras, c-jun etc.).
Oncogena este, deci, forma anormal, activat,  a unei
 protooncogene, care se caracterizeaz prin capacitatea de a induce i/sau promova proliferarea anormal (în exces) –   caracter specific celulelor canceroase.
Genele supresoare de tumori (GST) au roluri cruciale în fiziologia celulelor. Produii lor   proteici alctuiesc reele de semnalizare intracelulare cu funcii diametral opuse celor pe care le îndeplinesc reelele formate din proteinele codificate de  protooncogene. GST funcioneaz inhibând proliferarea i diferenierea celular. Unele GST codific factori proteici ce controleaz replicarea i reparaia ADN i stopeaz intrarea celulei în mitoz atât timp cât aceste procese nu iau sfârit. Pierderea sau inactivarea GST (de ex., prin hipermetilarea unor
secvene ADN reglatoare ale unor uniti transcripionale)
 
Adeziunea celular 
formarea adeziunilor intercelulare i celula-matrice este o
condiie important în depirea punctului de restricie. Dup intrarea în perioada sintetic, pân la încheierea mitozei, celulele  pierd parial legturile ce le stabilizeaz în esut i se rotunjesc (fig.13.6).
S-a constatat c celulele cultivate în suspensie, supuse unei agitri permanente, devin sferice i îi pierd capacitatea  proliferativ, fenomen numit dependen de ancorare a diviziunii celulare.
Evoluia celulelor
dup diviziune 
În dependen de perioada ontogenetic i tipul esutului dup diviziune celulele pot avea o evoluie diferit, controlat genetic. Celulele esuturilor proliferative se divid intens,  producând populaii noi de celule. Alte celule prsesc ciclul celular pentru o difereniere (specializare) terminal i rmân într -o perioad de activitate metabolic de susinere G0. Celulele
Fig. 13.6. Configuraia celulelor în diferite etape
ale ciclului celular
214
care i-au epuizat programul de supravieuire sunt eliminate din esut prin apoptoz. Pe lâng proliferare i difereniere, în organism, celulele a cror funcie este epuizat, sunt înlturate i înlocuite de celule tinere. Procesul de înlturare este un proces fiziologic i a fost denumit apoptoz sau moarte celular
 programat. 
Toate celulele unui organism pluricelular pornesc de la o
celul  zigot   cu setul de gene capabil s asigure creterea i dezvoltarea unui organism complex format din diferite esuturi. Replicarea ADN i mitoza asigur transmiterea aceleai informaii genetice tuturor celulelor care vor rezulta din diviziunea zigotului. În diferite perioade ontogenetice celulele îi modific aspectul, compoziia i ca rezultat –   funciile. Diferite celule se deosebesc între ele prin setul de proteine necesare pentru activitatea celulei i setul specializat de proteine necesare pentru îndeplinirea unor funcii specifice esutului dat. De exemplu, în celulele dermului se sintetizeaz keratin, în eritrocite  –   hemoglobina, în celulele intestinului –   fermeni digestivi, în celulele retinei –  opsine etc. Coninutul difereniat de proteine în diferite celule este determinat de expresia difereniat a genelor în timp i spaiu. Astfel, diferenierea celular este determinat de “conectarea” sau “deconectarea” unor gene cu expresie difereniat în timp i spaiu.
Apoptoza
 
215
recunoscute ca strine sau preneoplazice (a cror apoptoz este indus de celule citotoxice) sau celule care au pierdut contactul cu mediul lor înconjurtor (de exemplu, celulele epidermice, care au migrat, în urma unui traumatism în esutul subcutanat), sau celule în exces care intr în competiie cu alte celule pentru un semnal inhibitor.
S-a demonstrat c apoptoza are loc în:  -  cursul dezvoltrii normale a embrionului;  -  regresia organelor la larve în timpul metamorfozei;  -   pierderea celulelor din spaiul interdigital al mânii la
embrionul uman;
-  eliminarea celulelor senescente sau lezate din esuturi;  -  eliminarea celulelor transformate (canceroase);
-  în sistemul imun -  prin apoptoz se realizeaz îndeprtarea unor clone limfocitare i selecia altora. 
Fiecare celul primete multiple semnale (hor moni,
citokine) prin intermediul receptorilor specifici. Aceste semnale
 pot induce intrarea celulei în ciclul celular sau în apoptoz. De exemplu, glucocorticoizii sau ionoforul de Ca2+  induc apoptoza
în timocite. Acest proces este inhibat prin activarea protein-
kinazei C de ctre un ester forbol sau de ctre IL1. Alterarea unui receptor specific ar putea determina apariia unei clone maligne, dezechilibrând aceast relaie între semnalele inductoare i represoare ale apoptozei i ale proliferrii. 
Caracter istica esenial a apoptozei este reprezentat de clivajul ADN dublu – catenar la nivelul linker -ilor
intranucleozomici (fig.13.7).
 
216
internucleozomal, dând natere la o serie de fragmente formate din 180-200 perechi de baze.
Dup clivarea ADN urmeaz fragmentarea nucleului urmat de fragmentarea celulei i formarea corpilor apoptotici . Acetia sunt fagocitai de celulele vecine sau de limfocte. Fagocitarea corpilor apoptotici se realizeaz în urma recunoaterii de ctre celulele fagocitare a noilor molecule, care sunt expuse pe suprafaa membranei corpilor apoptotici (de ex., glicani bogai în reziduuri de N-acetil- glucozamin). În mecanismul declanrii acestui proces au fost identificate o serie
de gene. Din categoria acestor gene s-a demonstratrolul a dou grupuri principale: oncogenele (myc, ras, bcl-2) i unele gene
Fig. 13. 7. Schema evenimentelor din apoptoz 
 
217
supresoare ale creterii tumorale (p53) care pot fi implicate în iniierea sau blocarea apoptozei.
Unele proto-oncogene (c-bcl-2) blocheaz specific moartea fiziologic a celulei (apoptoza). Supraexpresia oncogenelor mutante c-ras poate produce acelai efect blocant, chiar dac celulele au fost expuse la diferii factori de cretere, la care ele sunt sensibile i care în condiii normale ar fi condus la moartea lor prin apoptoz. În schimb, gena supresoare a creterii tumorale, p53, are un efect opus, ea induce apoptoza în celulele susceptibile.
Apoptoza i senescena 
În timpul îmbtrânirii (senescenei), s-a observat în majoritatea organelor o scdere a numrului de celule, ca rezultat al încetinirii ritmului de cretere a celulelor i al eliminrii lor prin apoptoz. Acestea ar putea fi consecine ale unei deficiene de factori de  cretere, a unor anomalii de
Fig. 13.7. Reglarea apoptozei
transmitere a semnalelor inter- i intracelulare i a modificrii ciclului celular. Apoptoza intervine în eliminarea celulelor senescente alterate. Dac apoptoza este perturbat, poate fi antrenat eliminarea celulelor sntoase i pstrarea celulelor anormale.
Deci, în cursul îmbtrânirii apoptoza ar permite eliminarea celulelor cu funcionare deficitar –   apoptoza
normal. Mecanismele reglatoare ale apoptozei ar fi activate de
ctre o leziune celular incompatibil cu supravieuirea celulei. În alt caz, activarea acelorai mecanisme va avea drept
consecin dispariia celulelor normale –   apoptoza abuziv. De
exemplu, diminuarea progresiv a sintezei anumitor factori de cretere i/sau de supravieuire o dat cu vârsta nu ar permite
meninerea decât a unei populaii celulare din ce în ce mai redus numeric. 
În alte cazuri, mecanismele de control ale apoptozei ar fi ele însei afectate de îmbtrânire i activarea lor ar putea determina deleia neadecvat a celulelor normale –   apoptoz aberant.  Activarea inoportun i/sau disfuncia mecanismului apoptotic ar contribui la moartea celular în exces, fenomen caracteristic senescenei. 
Verificarea cunotinelor:  1.  Definii noiunile: ciclu celular, mitoz, interfaz, kinetocor,
 punct de restricie, cicline, factor de cretere, apoptoz.  2.  Care sunt perioadele ciclului celular?
3.  Ce procese au loc în interfaz? 
4.  Care este durata ciclului celular?
5.  Ce factori controleaz evenimentele din interfaz? 
6.  Ce factori induc mitoza?
7.  Care este rolul biologic al mitozei?