Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии — фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки — например, таких, как синтез ДНК.
Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.
Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки — скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.
Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.
Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток — или людей — в другое поколение.
Процесс дублирования спирали ДНК начинается с того, что белки способствуют разведению в разные стороны нитей, из которых состоит эта спираль. Разведение нитей в разные стороны начинается одновременно в нескольких местах. Процесс этот идет довольно быстро — за одну секунду разводятся в разные стороны до ста нуклеотидов. Затем белковый механизм, отвечающий за дублирование ДНК, принимается строить новую двойную спираль ДНК, используя каждую из разведенных нитей в качестве матрицы и помещая нуклеотиды на точно обозначенные места. Процесс синтеза новой двойной спирали ДНК происходит сразу с двух направлений. В результате вместо одной первоначальной молекулы ДНК образуются две новые, совершенно одинаковые.
Когда процесс репликации достигает концевых участков нити ДНК, возникает проблема их недорепликации из-за нехватки места для воспроизведения цепочки ДНК. Эта проблема решается за счет того, что на концевых участках хромосом существуют особые структуры, которые называются теломерами («теломер» по-гречески означает «концевой участок»). При каждом следующем делении клетки участок теломер на конце спирали ДНК становится все короче, если только специальные энзимы не восстанавливают длину участка теломер в прежнем виде. Чем большее число раз делится клетка, тем короче становится участок теломер. Если спираль ДНК утрачивает участок теломер, то ее репликация становится более невозможной. Укорачивание участка теломер на концах хромосом может являться одним из факторов старения организма.
Процесс репликации хромосом должен осуществляться с исключительной аккуратностью: каждый следующий нуклеотид должен четко следовать за предыдущим нуклеотидом и соответствовать другому нуклеотиду на противоположной нити спирали ДНК, иначе неправильное воспроизводство структуры клеточной хромосомы приведет к ее мутации. Ошибки при репликации хромосом встречаются крайне редко, как если бы появлялась одна неправильная буква при перепечатке тысячи книг. Однако неправильное размещение даже одного-единственного нуклеотида в цепочке ДНК может привести к серьезным последствиям, и для того, чтобы предотвратить или скорректировать подобные сбои во время репликации, существует особый механизм.
Каждая дочерняя клетка должна получить свой набор хромосом, абсолютно идентичный хромосомам, присутствующим в изначальной материнской клетке. После завершения процесса дублирования хромосомы переходят в компактное состояние и становятся ясно различимыми в микроскоп. Именно в таком состоянии их удалось увидеть впервые. После этого хромосомы должны разделиться и перейти каждая в свою часть клетки, чтобы в дальнейшем образовались две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом.
Процесс деления клетки называется «митоз», и главным инструментом его осуществления становится митотическое веретено деления. Как и подразумевает это название, оно представляет собой веретенообразную структуру, построенную из микротрубочек, которые, в свою очередь, созданы из белков. Микротрубочки обладают способностью быстро собираться в определенных местах, реагируя на необходимые химические сигналы, и так же быстро рассасываться. Их относительная нестабильность позволяет им быстро перестраиваться и принимать любые формы, поэтому они активно участвуют в процессе разделения клетки и расхождении хромосом. Своим видом митотическое веретено напоминает рождественское печенье, концы которого имеют звездообразную форму. Эти звездчатые зоны называются цитастерами.
При митозе центральная часть веретена начинает выпячиваться в районе клеточного экватора; к этому месту в последующем устремятся хромосомы. Само веретено деления имеет два полюса. Они состоят из белков и являются системообразующими элементами веретена. В самом начале митоза оба этих полюса находятся вместе внутри клеточного ядра. Затем они отделяются друг от друга и начинают движение к противоположным концам ядра, и между ними вытягивается тело самого веретена деления. После этого оболочка клеточного ядра разрывается, и хромосомы двигаются в направлении экваториальной плоскости веретена. Там они прикрепляются к микротрубочкам так, что каждая пара хромосом оказывается разделенной. При взаимодействии микротрубочек полюса веретена расходятся к противоположным сторонам клетки, в результате чего веретено растягивается в длину.
Затем сила, заставляющая реплицированные хромосомы держаться вместе, перестает действовать, и хромосомы с равномерной скоростью расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В результате у каждого из полюсов образуется одинаковый набор хромосом, вокруг которого сразу же начинает формироваться ядерная оболочка, и образуются два новых клеточных ядра. Теперь клетка полностью готова к тому, чтобы разделиться на две.
