Репликация и клеточный рост у бактерий тесно связаны. Частота инициации циклов репликации определяется скоростью роста клетки, а завершение цикла репликации согласовано с делением клетки на две, в процессе которого дочерние молекулы ДНК разделяются. Клетки E. coli способны расти с различными скоростями: время удвоения варьирует от 18 до более чем 180 мин.
Скорость синтеза ДНК при постоянной температуре более или менее постоянна. Репликация происходит с одинаковой скоростью до тех пор, пока не наблюдается ограничений в снабжении молекулярными предшественниками. Для репликации всей кольцевой ДНК требуется примерно 40 мин. Еще примерно 20 мин требуется между завершением репликации и клеточным делением, с которым она связана, для наработки компонентов, принимающих участие в делении. Отсюда следует, что при быстром делении бактериальных клеток ДНК дочерних клеток в момент их разделения уже частично реплицирована. Предполагают, чтобы начать репликацию ДНК, прикрепляется своим участком с точкой начала репликации к определенной белковой структуре на мемб- ране бактериальной клетки. ДНК остается прикрепленной к мембране в ходе делении клетки, и за счет роста мембраны между ними дочерние молекулы ДНК распределяются по двум дочерним клеткам (рис. 145).
Рост развивающего многоклеточного организма связан с делением клеток. В закончившем рост организме клетки продолжают делится для того чтобы восполнить потерю из-за гибели поврежденных или изношенных клеток. При этом, если темп деления одноклеточных органи змов лимитируется обычно лишь скоростью поступления в клетку питательных веществ и скоростью их внутриклеточного использования, то в многоклеточном организме разные клетки делятся с разной скоростью, регулируемой организмом в целом, и количество клеток каждого типа остается на уровне, оптимальном для организма. У животных некоторые клетки, такие как нейроны, эритроциты и скелетные мышечные волокна, в зрелом состоянии не делятся вовсе. Другие клетки, например, эпителиальныеклетки кишечника, легких и кожи делятся быстро и постоянно на протяжении всей жизни организма. Остальные клетки занимают промежуточное положение - они могут делится, но делают это редко. В результате длительность клеточного цикла (частота деления) составляет для разных клеток от 8 ч до 100 дней и более. Такая же картина наблюдается и для многоклеточного растительного организма.
В клеточном цикле выделяют 4 фазы: 1) фаза S (от англ. sinthesis) - фаза удвоения (репликации) ядерной ДНК; 2) фаза М (от англ. mitosis) – фаза деления клетки; 3) фаза G1 (от англ. gap - промежуток) - период между фазой М и началом синтеза ДНК; 4) фаза G2 - период между завершением синтеза ДНК и последующей фазой М. Фазы G1, S и G2 составляют интерфазу (фаза между делениями), которая обычно занимает не менее 90% всего клеточного цикла. Различие между быстро и медленно делящимися клетками состоит в продолжительности фазы G1 клеточного цикла. Некоторые медленно делящиеся клетки могут оставаться в фазе G1 многие месяцы и даже годы.
Напротив, время от начала фазы S до окончания деления практически постоянно и не коррелирует с темпом деления. Специальными обработками (например, ограничивая поступление питательных веществ или добавляя небольшие кол-ва ингибиторов белкового синтеза) можно искусственно затормозить деление клеток. Во всех этих случаях клетки задерживаются в фазе G1. Однако в конце этой фазы есть определенный момент, после которого клетки неизбежно завершают весь цикл, проходя его с обычной скоростью, не зависящей от внешних условий. Этот момент называется точкой рестрикции (точка R). Пока не известно, от чего зависит, пройдет ли клетка через точку R и вступит ли в новый цикл.
Предполагают, что для того чтобы клетка прошла точку R, начала синтезировать ДНК и готовиться к делению, в ней должно накопиться пороговое кол-во какого-то нестабильного "триггерного" белка, называемого также U-белком (от англ. unstable). Поскольку этот гипотетический белок нестабилен, его кон- центрация может стать достаточной для запуска клеточного деления только в том случае, если он будет синтезироваться сравнительно быстро. В фазе М, когда синтез белков практически отсутствует, кон- центрация U-белка резко падает и вновь достигает порогового значе- ния лишь в фазе G1.
Для того, чтобы вступить в митоз, клетка должна достичь определенной массы: размеры вновь образованных дочерних клеток вначале варьируют гораздо сильнее, чем на более поздней стадии, когда эти клетки снова вступают в митоз. Так происходит из-за того, что меньшие клетки остаются в фазе G1, пока не достигнут примерно той же величины, что и более крупные клетки. По-видимому, существует механизм регулирования массы клеток, вступающих в митоз, хотя он и работает с большими допусками: масса даже генетически идентичных клеток довольно сильно варьирует во время митоза. Однако, когда сравнивают родственные тетраплоидные, диплоидные и гаплоидные клетки, то их средняя относительная масса в митозе составляет 4, 2 и 1 соответственно. Это наблюдение позволило выдвинуть гипотезу, что триггерный U-белок связывается с определенными участками хромосом, а для перехода клетки в фазу S начала следующего цикла деления не- обходимо какое-то избыточное кол-во этого белка сверх того, которое связано с хромосомами. В этом случае хромосомы служили бы своего рода ингибиторами действия триггерного белка и в то же время измерителями его кол-ва. После прохождения клеткой точки рестрикции начинается репликация ядерной ДНК, т.е. начинается стадия S. Что именно служит пусковым сигналом для синтеза ДНК, не известно, но для начала репликации необходимо удвоение центриолей в клеточном центре. Пусковой механізм репликации ДНК работает по принципу "все или ничего", поскольку начавшееся в S-фазе удвоение ДНК всегда продолжается до полного завершения этого процесса.
Клеточное деление регулируется в организме целым рядом механизмов, о которых еще мало известно. К таким механизмам относятся, в частности, наличие свобідного пространства, на котором клетки могут распластываться (контактное торможение), и секреция окружающими клетками стимулирующих и ингибирующих агентов (например, позиционных факторов и специфических факторов роста). Раковые клетки выходят из-под контроля регуляторных факторов организма и начинают неограниченно делится. Именно это делает их смертельно опасными для организма-хозяина. Раковые клетки способны делится неограниченно долго в отличие от нормальных животных клеток, которые погибают после ограниченного числа делений.