Cellecyklus: Definition, faser, regulering og fakta

Celledeling er afgørende for en organisms vækst og sundhed. Næsten alle celler deltager i celledeling; nogle gør det flere gange i deres levetid. En voksende organisme, såsom et menneskeligt embryo, bruger celledeling til at øge størrelsen og specialiseringen af ​​individuelle organer. Selv modne organismer, som et pensioneret voksen menneske, bruger celledeling til at vedligeholde og reparere kropsvæv. Cellecyklussen beskriver den proces, hvormed celler udfører deres udpegede job, vokser og deler sig og derefter begynder processen igen med de to resulterende datterceller. I det 19. århundrede tillod teknologiske fremskridt inden for mikroskopi forskere at bestemme, at alle celler stammer fra andre celler gennem celledeling. Dette modbeviste endelig den tidligere udbredte tro på, at celler genererede spontant fra tilgængeligt stof. Cellecyklussen er ansvarlig for alt igangværende liv. Uanset om det sker i algercellerne, der klæber sig til en klippe i en hule eller i hudcellerne på din arm, er trinnene de samme.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Celledeling er afgørende for en organisms vækst og sundhed. Cellecyklussen er den gentagne rytme af cellevækst og deling. Den består af stadierne interfase og mitose såvel som deres underfaser og processen med cytokinese. Cellecyklussen er strengt reguleret af kemikalier ved kontrolpunkter i hvert trin for at sikre, at mutationer forekommer ikke, og at cellevækst ikke sker hurtigere end hvad der er sundt for det omgivende væv.

Cellecyklussen består i det væsentlige af to faser. Den første fase er mellemfase. Under mellemfasen forbereder cellen sig på celledeling i tre kaldte underfaser G₁ fase, S-fase og G₂ fase. Ved afslutningen af ​​interfasen er kromosomerne i cellekernen alle blevet duplikeret. Gennem alle disse faser fortsætter cellen også med at udføre sine daglige funktioner, uanset hvad de er. Interfase kan vare dage, uger, år - og i nogle tilfælde i hele organismen. De fleste nerveceller forlader aldrig G₁ fase af interfase, så forskere har udpeget et specielt stadium for celler som dem kaldet G₀. Dette trin er for nerveceller og andre celler, der ikke vil gå i en proces med celledeling. Nogle gange skyldes det, at de simpelthen ikke er klar til eller ikke udpeget til, som nerveceller eller muskelceller, og det kaldes en tilstand af ro. Andre gange er de for gamle eller beskadigede, og det kaldes en ældningstilstand. Da nerveceller er adskilt fra cellecyklussen, er skader på dem for det meste uoprettelige, i modsætning til en knoglebrud, og det er grunden til, at mennesker med rygsøjle eller hjerneskader ofte har permanente handicap.

Den anden fase af cellecyklussen kaldes mitose eller M-fase. Under mitose deler kernen sig i to og sender en kopi af hvert duplikerede kromosom til hver af de to kerner. Der er fire stadier af mitose, og disse er profase, metafase, anafase og telofase. På omtrent samme tid, som mitose sker, opstår der en anden proces, kaldet cytokinese, som næsten er dens egen fase. Dette er den proces, hvormed cellens cytoplasma og alt andet der deler sig. På den måde, når kernen deler sig i to, er der to af alt i den omgivende celle, der skal gå med hver kerne. Når delingen er afsluttet, lukkes plasmamembranen omkring hver nye celle og klemmer af og deler de to nye identiske celler helt fra hinanden. Umiddelbart er begge celler i første fase af interfasen igen: G₁.

G₁ står for Gap fase 1. Udtrykket "hul" kommer fra en tid, hvor forskere opdagede celledeling under mikroskop og fandt det mitotiske stadium meget spændende og vigtigt. De observerede kerneopdelingen og den ledsagende cytokinetiske proces som bevis for, at alle celler kom fra andre celler. Det stadier af mellemfasesyntes imidlertid statisk og inaktiv. Derfor tænkte de på dem som hvileperioder eller huller i aktivitet. Sandheden er dog, at G₁ - og G₂ i slutningen af ​​mellemfasen - er travle vækstperioder for cellen, hvor cellen vokser i størrelse og bidrager til organismenes velbefindende, uanset hvilken måde den blev ”født” til at gøre. Ud over sine regelmæssige cellulære opgaver bygger cellen molekyler såsom proteiner og ribonukleinsyre (RNA).

Hvis celleens DNA ikke beskadiges, og cellen er vokset nok, fortsætter den til den anden fase af interfasen, kaldet S-fase. Dette er en forkortelse for syntesefasen. I løbet af denne fase, som navnet antyder, bruger cellen en hel del energi på at syntetisere molekyler. Specifikt replikerer cellen sit DNA og duplikerer dets kromosomer. Mennesker har 46 kromosomer i deres somatiske celler, som alle er celler, der ikke er reproduktive celler (sædceller og æg). De 46 kromosomer er organiseret i 23 homologe par, der er forbundet sammen. Hvert kromosom i et homologt par kaldes den andens homolog. Når kromosomerne duplikeres under S-fasen, vikles de meget tæt omkring histonprotein tråde kaldet kromatin, hvilket gør duplikationsprocessen mindre tilbøjelig til DNA-replikationsfejl, eller mutation. De to nye identiske kromosomer kaldes nu hver kromatider. Tråde af histoner binder de to identiske kromatider sammen, så de danner en slags X-form. Det punkt, hvor de er bundet, kaldes en centromer. Derudover er kromatiderne stadig forbundet med deres homolog, som nu også er et X-formet par kromatider. Hvert par kromatider kaldes et kromosom; tommelfingerreglen er, at der aldrig er mere end et kromosom knyttet til en centromer.

Den sidste fase af mellemfasen er G₂eller Gap fase 2. Denne fase fik sit navn af de samme grunde som G₁. Ligesom under G₁ og S-fase forbliver cellen travlt med sine typiske opgaver gennem hele scenen, selv når den afslutter arbejdet med mellemfase og forbereder sig på mitose. For at forberede sig på mitose deler cellen sine mitokondrier såvel som dens kloroplaster (hvis den har nogen). Det begynder at syntetisere forløberne til spindelfibre, der kaldes mikrotubuli. Det gør disse ved at replikere og stable centromererne af kromatidparene i sin kerne. Spindelfibre vil være afgørende for processen med nuklear opdeling under mitose, når kromosomer skal trækkes fra hinanden i de to adskilte kerner; at sikre, at de korrekte kromosomer kommer til den korrekte kerne og forbliver parret med den korrekte homolog, er afgørende for at forhindre genetiske mutationer.

Opdelingsmarkørerne mellem faserne i cellecyklussen og underfaserne af interfase og mitose er kunstgenstande, som forskere bruger til at være i stand til at beskrive processen med celledeling. I naturen er processen flydende og uendelig. Den første fase af mitose kaldes profase. Det begynder med kromosomerne i den tilstand, de var i i slutningen af ​​G.₂ fase af interfase, replikeret med søsterkromatider bundet af centromerer. Under profasen kondenseres kromatinstrengen, hvilket gør det muligt for kromosomerne (dvs. hvert par søsterkromatider) at blive synlige under lysmikroskopi. Centromerer vokser fortsat til mikrotubuli, der danner spindelfibre. Ved afslutningen af ​​profasen nedbrydes kernemembranen, og spindelfibrene forbinder til dannelse af et strukturelt netværk gennem celleens cytoplasma. Da kromosomerne nu flyder frit i cytoplasmaet, er spindelfibrene den eneste støtte, der holder dem fra at flyde på afveje.

Cellen bevæger sig ind i metafase, så snart kernemembranen opløses. Spindelfibrene flytter kromosomerne til cellens ækvator. Dette plan er kendt som spindelækvator eller metafaseplade. Der er ikke noget håndgribeligt der; det er simpelthen et plan, hvor alle kromosomerne er på linje, og som halverer cellen vandret eller lodret, afhængigt af hvordan du ser eller forestiller dig cellen (for en visuel gengivelse af dette, se Ressourcer). Hos mennesker er der 46 centromerer, og hver er bundet til et par kromatidsøstre. Antallet af centromerer afhænger af organismen. Hver centromer er forbundet med to spindelfibre. De to spindelfibre divergerer, når de forlader centromeren, så de forbinder til strukturer på modsatte poler af cellen.

Cellen skifter til anafase, som er den korteste af de fire faser af mitose. Spindelfibrene, der forbinder kromosomerne med cellens poler, forkorter og bevæger sig væk mod deres respektive poler. Dermed trækker de kromosomerne fra hinanden fra hinanden. Centromererne deles også i to, når den ene halvdel bevæger sig med hver kromatidsøster mod en modsat pol. Da hvert kromatid nu har sin egen centromer, kaldes det igen et kromosom. I mellemtiden forlænges forskellige spindelfibre, der er fastgjort til begge poler, hvilket får afstanden mellem de to poler i cellen til at vokse, så cellen flader og forlænges. Processen med anafase sker på en sådan måde, at i slutningen indeholder hver side af cellen en kopi af hvert kromosom.

Telofase er den fjerde og sidste fase af mitose. I dette trin spoler de ekstremt tæt pakket kromosomer - som blev kondenseret for at øge replikationsnøjagtigheden - sig selv. Spindelfibrene opløses, og en cellulær organel kaldes endoplasmatisk retikulum syntetiserer nye nukleare membraner omkring hvert sæt kromosomer. Dette betyder, at cellen nu har to kerner, hver med et komplet genom. Mitose er komplet.

Nu hvor kernen er opdelt, skal resten af ​​cellen også dele sig, så de to celler kan skilles. Denne proces er kendt som cytokinese. Det er en separat proces fra mitose, selvom det ofte forekommer sammen med mitose. Det sker forskelligt i dyre- og planteceller, for hvor dyreceller kun har en plasmacellemembran, har planteceller en stiv cellevæg. I begge slags celler er der nu to forskellige kerner i en celle. I dyreceller dannes en kontraktil ring i midten af ​​cellen. Dette er en ring af mikrofilamenter, der snor sig rundt om cellen og strammer plasmamembranen i midten som et korset, indtil den skaber en såkaldt spaltningsfure. Med andre ord får den kontraktile ring cellen til at danne en timeglasform, der bliver mere og mere udtalt, indtil cellen klemmer helt ud i to separate celler. I planteceller skaber en organel kaldet Golgi-komplekset vesikler, som er membranbundne væskelommer langs aksen, der deler cellen mellem de to kerner. Disse vesikler indeholder polysaccharider, der er nødvendige for at danne cellepladen, og cellepladen til sidst smelter sammen med og bliver en del af cellevæggen, der engang husede den oprindelige enkeltcelle, men nu er hjemsted for to celler.

Cellecyklussen kræver meget regulering for at sikre, at den ikke fortsætter, uden at visse betingelser er opfyldt inden i og uden for cellen. Uden denne regulering ville der være ukontrollerede genetiske mutationer, ude af kontrol cellevækst (kræft) og andre problemer. Cellecyklussen har et antal kontrolpunkter for at sikre, at tingene fortsætter korrekt. Hvis det ikke er tilfældet, foretages der reparationer, eller programmeret celledød initieres. En af de primære kemiske regulatorer af cellecyklussen er cyclinafhængig kinase (CDK). Der er forskellige former for dette molekyle, der fungerer på forskellige punkter i cellecyklussen. For eksempel proteinet p53 produceres af beskadiget DNA i cellen, og som vil deaktivere CDK-komplekset ved G₁/ S kontrolpunkt, hvorved cellens fremskridt standses.