Buněčný cyklus: definice, fáze, regulace a fakta

Buněčné dělení je zásadní pro růst a zdraví organismu. Téměř všechny buňky se účastní buněčného dělení; někteří to dělají několikrát za celý život. Rostoucí organismus, například lidské embryo, používá buněčné dělení ke zvětšení velikosti a specializace jednotlivých orgánů. Dokonce i zralé organismy, jako dospělý člověk v důchodu, používají buněčné dělení k udržování a opravě tělesné tkáně. Buněčný cyklus popisuje proces, kterým buňky provádějí své určené úlohy, rostou a dělí se a poté proces znovu zahájí dvěma výslednými dceřinými buňkami. V 19. století umožnil technologický pokrok v mikroskopii vědcům určit, že všechny buňky vznikají z jiných buněk procesem dělení buněk. To nakonec vyvrátilo dříve rozšířené přesvědčení, že buňky se generovaly spontánně z dostupné hmoty. Buněčný cyklus je zodpovědný za celý život. Bez ohledu na to, zda k tomu dojde v buňkách řas lpících na skále v jeskyni nebo v buňkách kůže na paži, kroky jsou stejné.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Dělení buněk je životně důležité pro růst a zdraví organismu. Buněčný cyklus je opakujícím se rytmem růstu a dělení buněk. Skládá se z fází interfáze a mitózy, jakož i jejich subfází a procesu cytokineze. Buněčný cyklus je přísně regulován chemickými látkami na kontrolních stanovištích v každém kroku, aby bylo zajištěno, že mutace se nevyskytují a růst buněk neprobíhá rychleji, než je zdravé pro okolí tkáň.

Buněčný cyklus se v zásadě skládá ze dvou fází. První fáze je mezifáze. Během mezifáze se buňka připravuje na dělení buněk ve třech volaných subfázích G₁ fáze, S fáze a G₂ fáze. Na konci interfázy byly všechny chromozomy v buněčném jádru duplikovány. Ve všech těchto fázích buňka také pokračuje v plnění svých denních funkcí, ať jsou jakékoli. Mezifáze může trvat dny, týdny, roky - a v některých případech i po celou dobu životnosti organismu. Většina nervových buněk nikdy neopustí G₁ fázi mezifáze, proto vědci určili speciální fázi pro buňky jako oni zvané G₀. Tato fáze je pro nervové buňky a další buňky, které nepůjdou do procesu dělení buněk. Někdy je to proto, že prostě nejsou připraveni nebo k tomu nejsou určeni, jako jsou nervové buňky nebo svalové buňky, a tomu se říká klidový stav. Jindy jsou příliš staré nebo poškozené a to se nazývá stav stárnutí. Vzhledem k tomu, že nervové buňky jsou oddělené od buněčného cyklu, jejich poškození je na rozdíl od a většinou neopravitelné zlomenou kost, a to je důvod, proč lidé s poraněním páteře nebo mozku mají často trvalé následky postižení.

Je nazývána druhá fáze buněčného cyklu mitóza nebo M fáze. Během mitózy se jádro rozdělí na dvě a do každého ze dvou jader pošle jednu kopii každého duplikovaného chromozomu. Jsou čtyři stadia mitózya to jsou profáze, metafáze, anafáze a telofáze. Přibližně ve stejné době, kdy dochází k mitóze, dochází k dalšímu procesu, tzv cytokineze, což je téměř vlastní fáze. Toto je proces, kterým se dělí cytoplazma buňky a všechno ostatní v ní. Tímto způsobem, když se jádro rozdělí na dvě části, jsou v okolní buňce dvě ze všech, která jsou součástí každého jádra. Jakmile je dělení dokončeno, plazmatická membrána se uzavře kolem každé nové buňky a sevře se, čímž se dvě nové identické buňky od sebe úplně oddělí. Okamžitě jsou obě buňky opět v první fázi mezifáze: G₁.

G₁ znamená mezera fáze 1. Termín „mezera“ pochází z doby, kdy vědci objevovali buněčné dělení pod mikroskopem a považovali mitotickou fázi za velmi vzrušující a důležitou. Pozorovali dělení jádra a doprovodný cytokinetický proces jako důkaz, že všechny buňky pocházejí z jiných buněk. The fáze mezifázese však zdálo statické a neaktivní. Proto si o nich mysleli, že jsou období odpočinku nebo mezery v činnosti. Pravdou však je, že G₁ - a G.₂ na konci mezifáze - jsou rušným růstovým obdobím pro buňku, ve kterém buňka roste ve velikosti a přispívá k blahu organismu jakýmkoli způsobem, pro který se „narodil“. Kromě svých pravidelných buněčných povinností si buňka vytváří molekuly, jako jsou proteiny a kyselina ribonukleová (RNA).

Pokud není DNA buňky poškozena a buňka dostatečně narostla, postupuje do druhé fáze mezifáze, tzv. S fáze. To je zkratka pro fázi syntézy. Během této fáze, jak název napovídá, věnuje buňka syntéze molekul značnou energii. Konkrétně buňka replikuje svou DNA a duplikuje své chromozomy. Lidé mají ve svých somatických buňkách 46 chromozomů, což jsou všechny buňky, které nejsou reprodukčními buňkami (spermie a vajíčka). 46 chromozomů je uspořádáno do 23 homologních párů, které jsou spojeny dohromady. Každý chromozom v homologním páru se nazývá homolog druhého. Když jsou chromozomy duplikovány během S fáze, jsou navinuty velmi těsně kolem histonového proteinu vlákna zvaná chromatin, díky nimž je proces duplikace méně náchylný k chybám replikace DNA, nebo mutace. Nyní se nazývají dva nové identické chromozomy chromatidy. Prameny histonů váží dvě identické chromatidy dohromady, takže tvoří jakýsi tvar X. Bod, kde jsou vázány, se nazývá centroméra. Kromě toho jsou chromatidy stále spojeny s jejich homologem, který je nyní také dvojicí chromatidů ve tvaru X. Každá dvojice chromatidů se nazývá chromozom; pravidlem je, že k jednomu centromeru nikdy není připojen více než jeden chromozom.

Poslední fáze mezifáze je G₂nebo mezera fáze 2. Tato fáze dostala své jméno ze stejných důvodů jako G.₁. Stejně jako během G₁ a S fáze, buňka zůstává během fáze zaneprázdněna svými typickými úkoly, i když dokončí práci mezifáze a připraví se na mitózu. Aby se připravila na mitózu, buňka rozdělí své mitochondrie a také své chloroplasty (pokud nějaké mají). Začíná syntetizovat prekurzory vřetenových vláken, kterým se říká mikrotubuly. Vyrábí je replikací a stohováním centromer chromatidových párů v jejich jádru. Vlákna vřetena budou rozhodující pro proces dělení jader během mitózy, kdy budou muset být chromozomy od sebe odděleny do dvou oddělovacích jader; zajištění toho, aby se správné chromozomy dostaly do správného jádra a zůstaly spárovány se správným homologem, je zásadní, aby se zabránilo genetickým mutacím.

Dělící markery mezi fázemi buněčného cyklu a subfázemi mezifáze a mitózy jsou umění, která vědci používají k popisu procesu buněčného dělení. V přírodě je proces plynulý a nikdy nekončící. První fáze mitózy se nazývá profáze. Začíná to chromozomy ve stavu, v jakém byly na konci G₂ stádium mezifáze, replikováno sesterskými chromatidy připojenými centromery. Během profáze kondenzuje vlákno chromatinu, což umožňuje viditelnost chromozomů (tj. Každé dvojice sesterských chromatid) pod světelnou mikroskopií. Centromery nadále rostou do mikrotubulů, které tvoří vřetenová vlákna. Na konci profázy se jaderná membrána rozpadne a vlákna vřetena se spojí a vytvoří strukturní síť v celé cytoplazmě buňky. Vzhledem k tomu, že chromozomy nyní volně plouvají v cytoplazmě, jsou vlákna vřetena jedinou podporou, která jim brání vznášet se na scestí.

Jakmile se jaderná membrána rozpustí, buňka přejde do metafáze. Vlákna vřetena přesouvají chromozomy na rovník buňky. Tato rovina je známá jako vřetenový rovník nebo metafázová deska. Není tam nic hmatatelného; je to prostě rovina, kde se všechny chromozomy seřadí, a která půlí buňkou vodorovně nebo svisle, v závislosti na tom, jak si prohlížíte nebo si představujete buňku (vizuální znázornění toho viz Zdroje). U lidí existuje 46 centromer a každé z nich je připojeno k dvojici sester chromatid. Počet centromer závisí na organismu. Každá centromera je spojena se dvěma vlákny vřetena. Obě vřetenová vlákna se rozcházejí, jakmile opouštějí centromeru, takže se připojují ke strukturám na opačných pólech buňky.

Buňka přechází do anafáze, což je nejkratší ze čtyř fází mitózy. Vlákna vřetena, která spojují chromozomy s póly buňky, se zkracují a pohybují se směrem k jejich příslušným pólům. Přitom oddělují chromozomy, ke kterým jsou připojeny. Centromery se také rozdělily na dvě, protože jedna polovina cestovala s každou sestrou chromatid směrem k opačnému pólu. Protože každý chromatid má nyní svůj vlastní centromér, nazývá se to znovu chromozom. Mezitím se různá vřetenová vlákna připojená k oběma pólům prodlužují, což způsobí zvětšení vzdálenosti mezi dvěma póly buňky, takže se buňka zploští a protáhne. Proces anafáze probíhá takovým způsobem, že na konci každá strana buňky obsahuje jednu kopii každého chromozomu.

Telophase je čtvrtá a poslední fáze mitózy. V této fázi se extrémně těsně zabalené chromozomy - které byly kondenzovány pro zvýšení přesnosti replikace - samy odvíjejí. Vlákna vřetena se rozpouštějí a buněčná organela zvaná endoplazmatické retikulum syntetizuje nové jaderné membrány kolem každé sady chromozomů. To znamená, že buňka má nyní dvě jádra, každé s úplným genomem. Mitóza je dokončena.

Nyní, když bylo jádro rozděleno, musí se také rozdělit zbytek buňky, aby se obě buňky mohly rozdělit. Tento proces je znám jako cytokineze. Jedná se o samostatný proces od mitózy, i když se často vyskytuje současně s mitózou. V živočišných a rostlinných buňkách se to děje odlišně, protože tam, kde živočišné buňky mají pouze plazmatickou buněčnou membránu, mají rostlinné buňky tuhou buněčnou stěnu. V obou druzích buněk jsou nyní v jedné buňce dvě odlišná jádra. V živočišných buňkách se ve středu buňky tvoří kontraktilní prstenec. Jedná se o prsten z mikrofilamentů, který se svírá kolem buňky a utahuje plazmatickou membránu ve středu jako korzet, dokud nevytvoří tzv. Štěpnou brázdu. Jinými slovy, kontraktilní prstenec způsobí, že buňka vytvoří tvar přesýpacích hodin, který se stává stále výraznějším, dokud se buňka úplně neodtrhne do dvou samostatných buněk. V rostlinných buňkách vytváří organela zvaná Golgiho komplex vesikuly, což jsou kapsy kapaliny vázané na membránu podél osy, která rozděluje buňku mezi dvě jádra. Tyto vezikuly obsahují polysacharidy, které jsou potřebné k vytvoření buněčné destičky a případně buněčné destičky spojuje se a stává se součástí buněčné stěny, která kdysi obsahovala původní jedinou buňku, ale nyní je domovem dvou buňky.

Buněčný cyklus vyžaduje velkou regulaci, aby se zajistilo, že neprobíhá bez splnění určitých podmínek uvnitř i vně buňky. Bez této regulace by existovaly nekontrolované genetické mutace, růst buněk mimo kontrolu (rakovina) a další problémy. Buněčný cyklus má řadu kontrolních bodů, aby se ujistil, že věci probíhají správně. Pokud nejsou, jsou provedeny opravy nebo je zahájena programovaná smrt buňky. Jedním z primárních chemických regulátorů buněčného cyklu je cyklin-dependentní kináza (CDK). Existují různé formy této molekuly, které působí v různých bodech buněčného cyklu. Například protein p53 je produkován poškozenou DNA v buňce a která deaktivuje komplex CDK v G₁/ S kontrolní bod, čímž se zastaví postup buňky.