Клетъчен цикъл: Определение, фази, регулация и факти

Клетъчно делене е от жизненоважно значение за растежа и здравето на организма. Почти всички клетки участват в клетъчното делене; някои го правят няколко пъти през живота си. Растящият организъм, като човешки ембрион, използва клетъчното делене, за да увеличи размера и специализацията на отделните органи. Дори зрели организми, като пенсиониран възрастен човек, използват клетъчно делене, за да поддържат и възстановяват телесната тъкан. Клетъчният цикъл описва процеса, чрез който клетките изпълняват определените си задачи, растат и се делят и след това започват процеса отново с двете получени дъщерни клетки. През 19 век технологичният напредък в микроскопията позволява на учените да определят, че всички клетки възникват от други клетки чрез процеса на клетъчно делене. Това накрая опроверга широко разпространеното преди това убеждение, че клетките се генерират спонтанно от наличната материя. Клетъчният цикъл е отговорен за целия продължаващ живот. Независимо дали това се случва в клетките на водорасли, залепнали за скала в пещера, или в клетките на кожата на ръката ви, стъпките са еднакви.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Клетъчното делене е жизненоважно за растежа и здравето на организма. Клетъчният цикъл е повтарящият се ритъм на клетъчен растеж и делене. Състои се от етапите на интерфаза и митоза, както и техните подфази и процеса на цитокинеза. Клетъчният цикъл е строго регулиран от химикали на контролно-пропускателните пунктове през всяка стъпка, за да се гарантира, че мутации не се случват и че клетъчният растеж не се случва по-бързо от това, което е здравословно за околните тъкан.

Клетъчният цикъл по същество се състои от две фази. Първата фаза е междуфазна. По време на интерфаза клетката се подготвя за клетъчно делене в три подфази, наречени G₁ фаза, S фаза и G₂ фаза. До края на интерфазата хромозомите в клетъчното ядро ​​са се дублирали. През всички тези етапи клетката също продължава да изпълнява ежедневните си функции, каквито и да са те. Интерфазата може да продължи дни, седмици, години - а в някои случаи и през цялата продължителност на живота на организма. Повечето нервни клетки никога не напускат G₁ етап на интерфаза, така че учените са определили специален етап за клетки като тях, наречен G₀. Този етап е за нервните клетки и други клетки, които няма да влязат в процес на клетъчно делене. Понякога това е така, защото те просто не са готови или не са определени, като нервни клетки или мускулни клетки и това се нарича състояние на покой. Друг път те са твърде стари или повредени и това се нарича състояние на стареене. Тъй като нервните клетки са отделени от клетъчния цикъл, увреждането им е предимно непоправимо, за разлика от счупена кост и това е причината хората с гръбначни или мозъчни наранявания често да са трайни увреждания.

Нарича се втората фаза на клетъчния цикъл митоза или М фаза. По време на митозата ядрото се разделя на две, изпращайки по едно копие от всяка дублирана хромозома към всяко от двете ядра. Има четири етапи на митоза, и това са профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Приблизително по същото време, в което се случва митозата, възниква друг процес, наречен цитокинеза, което е почти собствена фаза. Това е процесът, чрез който се разделя цитоплазмата на клетката и всичко останало в нея. По този начин, когато ядрото се раздели на две, има две от всичко в околната клетка, които да вървят с всяко ядро. След като разделянето приключи, плазмената мембрана се затваря около всяка нова клетка и се прищипва, разделяйки напълно двете нови еднакви клетки една от друга. Веднага и двете клетки отново са в първия етап на интерфаза: G₁.

G₁ означава Gap фаза 1. Терминът „празнина“ идва от времето, когато учените откриват клетъчното делене под микроскоп и намират митотичния стадий за много вълнуващ и важен. Те наблюдават разделянето на ядрото и придружаващия цитокинетичен процес като доказателство, че всички клетки идват от други клетки. The етапи на интерфазаобаче изглеждаше статичен и неактивен. Следователно те мислеха за тях като периоди на почивка или пропуски в активността. Истината обаче е, че G₁ - и G₂ в края на интерфазата - са оживени периоди на растеж на клетката, в които клетката нараства и допринася за благосъстоянието на организма по какъвто и начин да е „роден”. В допълнение към редовните си клетъчни задължения, клетката изгражда молекули като протеини и рибонуклеинова киселина (РНК).

Ако ДНК на клетката не е повредена и клетката е нараснала достатъчно, тя преминава във втория етап на интерфаза, наречен S фаза. Това е кратко за фаза на синтез. По време на тази фаза, както подсказва името, клетката отделя доста енергия за синтезиране на молекули. По-конкретно, клетката репликира своята ДНК, дублирайки своите хромозоми. Хората имат 46 хромозоми в своите соматични клетки, които са всички клетки, които не са репродуктивни клетки (сперматозоиди и яйцеклетки). 46-те хромозоми са организирани в 23 хомоложни двойки, които са обединени. Всяка хромозома в хомоложна двойка се нарича хомолог на другата. Когато хромозомите се дублират по време на S фаза, те се навиват много плътно около хистоновия протеин нишки, наречени хроматин, което прави процеса на дублиране по-малко податлив на грешки при репликация на ДНК, или мутация. Двете нови еднакви хромозоми вече се наричат хроматиди. Нишките на хистоните свързват двете еднакви хроматиди, така че те образуват вид X форма. Точката, в която са свързани, се нарича центромера. В допълнение, хроматидите все още са присъединени към техния хомолог, който сега също е Х-образна двойка хроматиди. Всяка двойка хроматиди се нарича хромозома; основното правило е, че никога няма повече от една хромозома, прикрепена към една центромера.

Последният етап на интерфазата е G₂, или Gap фаза 2. Тази фаза получи името си по същите причини като G₁. Точно както по време на G₁ и S фаза, клетката остава заета с типичните си задачи през целия етап, дори когато приключва работата на интерфазата и се подготвя за митоза. За да се подготви за митоза, клетката разделя своите митохондрии, както и своите хлоропласти (ако има такива). Започва да синтезира предшествениците на влакната на вретеното, които се наричат ​​микротубули. Той ги прави, като възпроизвежда и подрежда центромерите на двойките хроматиди в ядрото им. Влакната на вретеното ще бъдат от решаващо значение за процеса на ядрено делене по време на митоза, когато хромозомите ще трябва да бъдат отделени в двете разделящи ядра; гарантирането, че правилните хромозоми стигат до правилното ядро ​​и остават в двойка с правилния хомолог са от решаващо значение за предотвратяване на генетични мутации.

Разделителните маркери между фазите на клетъчния цикъл и подфазите на интерфазата и митозата са изкуства, които учените използват, за да могат да опишат процеса на клетъчно делене. В природата процесът е течен и безкраен. Нарича се първият етап на митоза профаза. Започва с хромозомите в състоянието, в което са били в края на G₂ етап на интерфаза, репликиран със сестрински хроматиди, прикрепени от центромери. По време на профазата хроматиновата верига се кондензира, което позволява на хромозомите (т.е. всяка двойка сестрински хроматиди) да станат видими под светлинна микроскопия. Центромерите продължават да растат в микротубули, които образуват влакна на вретеното. До края на профазата ядрената мембрана се разпада и влакната на вретеното се свързват, за да образуват структурна мрежа в цялата цитоплазма на клетката. Тъй като хромозомите сега плават свободно в цитоплазмата, влакната на вретеното са единствената опора, която ги предпазва от заблуда.

Клетката преминава в метафаза веднага щом ядрената мембрана се разтвори. Влакната на вретеното преместват хромозомите към екватора на клетката. Тази равнина е известна като екватора на шпиндела или метафазната плоча. Там няма нищо осезаемо; това е просто равнина, в която всички хромозоми се подреждат и която разделя клетката наполовина или хоризонтално, или вертикално, в зависимост от това как гледате или си представяте клетката (за визуално представяне на това вижте Ресурси). При хората има 46 сантиметра и всеки от тях е прикрепен към чифт хроматидни сестри. Броят на центромерите зависи от организма. Всяка центромера е свързана с две влакна на вретеното. Двете влакна на вретеното се разминават, след като напуснат центромерата, така че да се свържат със структури на противоположните полюси на клетката.

Клетката преминава в анафаза, която е най-кратката от четирите фази на митоза. Влакната на вретеното, които свързват хромозомите с полюсите на клетката, се скъсяват и отдалечават към съответните им полюси. По този начин те разкъсват хромозомите, към които са прикрепени. Центромерите също се разделят на две, когато едната половина пътува с всяка хроматидна сестра към противоположен полюс. Тъй като всяка хроматида вече има своя собствена центромера, тя отново се нарича хромозома. Междувременно, различни влакна на вретеното, прикрепени към двата полюса, се удължават, което води до нарастване на разстоянието между двата полюса на клетката, така че клетката се изравнява и удължава. Процесът на анафаза се случва по такъв начин, че в края всяка страна на клетката да съдържа по едно копие на всяка хромозома.

Телофаза е четвъртият и последен етап на митоза. На този етап изключително плътно опакованите хромозоми - които бяха кондензирани, за да се увеличи точността на репликацията - се размотават. Влакната на вретеното се разтварят и клетъчна органела, наречена ендоплазмения ретикулум синтезира нови ядрени мембрани около всеки набор от хромозоми. Това означава, че клетката вече има две ядра, всяко с пълен геном. Митозата е пълна.

Сега, когато ядрото е разделено, останалата част от клетката трябва също да се раздели, за да могат двете клетки да се разделят. Този процес е известен като цитокинеза. Това е отделен процес от митозата, въпреки че често се случва едновременно с митоза. Това се случва различно в животинските и растителните клетки, защото там, където животинските клетки имат само мембрана на плазматичната клетка, растителните клетки имат твърда клетъчна стена. И в двата вида клетки сега има две различни ядра в една клетка. В животинските клетки в средата на клетката се образува съкратителен пръстен. Това е пръстен от микрофиламенти, които се свиват около клетката, стягайки плазмената мембрана в центъра като корсет, докато не създаде така наречената бразда. С други думи, съкратителният пръстен кара клетката да образува форма на пясъчен часовник, която става все по-изразена, докато клетката се изцепи изцяло в две отделни клетки. В растителните клетки органела, наречена комплекс на Голджи, създава везикули, които са обвързани с мембраната джобове течност по оста, която разделя клетката между двете ядра. Тези везикули съдържат полизахариди, които са необходими за образуване на клетъчната плочка и в крайна сметка клетъчната плочка се слива с и става част от клетъчната стена, в която някога е била първоначалната единична клетка, но сега е дом на две клетки.

Клетъчният цикъл изисква голяма регулация, за да се гарантира, че той не протича без да са изпълнени определени условия вътре и извън клетката. Без тази регулация би имало непроверени генетични мутации, неконтролиран растеж на клетките (рак) и други проблеми. Клетъчният цикъл има редица контролни точки, за да се увери, че нещата протичат правилно. Ако не са, се извършват поправки или се инициира програмирана клетъчна смърт. Един от основните химични регулатори на клетъчния цикъл е циклин-зависимата киназа (CDK). Има различни форми на тази молекула, които работят в различни точки от клетъчния цикъл. Например протеинът стр53 се произвежда от повредена ДНК в клетката и която ще деактивира CDK комплекса в G₁/ S контролен пункт, като по този начин се спира напредъка на клетката.