Κύκλος κυττάρων: Ορισμός, φάσεις, κανονισμοί και γεγονότα

Κυτταρική διαίρεση είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την υγεία ενός οργανισμού. Σχεδόν όλα τα κύτταρα συμμετέχουν στην κυτταρική διαίρεση. Μερικοί το κάνουν πολλές φορές στη διάρκεια ζωής τους. Ένας αναπτυσσόμενος οργανισμός, όπως ένα ανθρώπινο έμβρυο, χρησιμοποιεί την κυτταρική διαίρεση για να αυξήσει το μέγεθος και την εξειδίκευση των μεμονωμένων οργάνων. Ακόμη και ώριμοι οργανισμοί, όπως ένας συνταξιούχος ενήλικος άνθρωπος, χρησιμοποιούν την κυτταρική διαίρεση για τη συντήρηση και την επιδιόρθωση του ιστού του σώματος. Ο κυτταρικός κύκλος περιγράφει τη διαδικασία με την οποία τα κελιά κάνουν τις καθορισμένες εργασίες τους, αναπτύσσονται και διαιρούνται και στη συνέχεια ξεκινά ξανά τη διαδικασία με τα δύο θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν. Τον 19ο αιώνα, οι τεχνολογικές εξελίξεις στη μικροσκοπία επέτρεψαν στους επιστήμονες να προσδιορίσουν ότι όλα τα κύτταρα προέρχονται από άλλα κύτταρα μέσω της διαδικασίας της κυτταρικής διαίρεσης. Αυτό τελικά απέδειξε την προηγουμένως διαδεδομένη πεποίθηση ότι τα κύτταρα δημιουργούνται αυθόρμητα από τη διαθέσιμη ύλη. Ο κυτταρικός κύκλος είναι υπεύθυνος για όλη τη συνεχή ζωή. Ανεξάρτητα από το εάν συμβαίνει στα κύτταρα των φυκών που προσκολλώνται σε ένα βράχο σε μια σπηλιά ή στα κύτταρα του δέρματος στο χέρι σας, τα βήματα είναι τα ίδια.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Η κυτταρική διαίρεση είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την υγεία ενός οργανισμού. Ο κυτταρικός κύκλος είναι ο επαναλαμβανόμενος ρυθμός ανάπτυξης και διαίρεσης των κυττάρων. Αποτελείται από τα στάδια της ενδιάμεσης φάσης και της μίτωσης, καθώς και τις υποφάσεις τους, και τη διαδικασία της κυτοκίνης. Ο κυτταρικός κύκλος ρυθμίζεται αυστηρά από χημικές ουσίες σε σημεία ελέγχου σε κάθε βήμα για να διασφαλιστεί αυτό μεταλλάξεις δεν συμβαίνουν και ότι η ανάπτυξη των κυττάρων δεν συμβαίνει γρηγορότερα από αυτό που είναι υγιές για τον περιβάλλοντα χώρο ιστός.

Ο κυτταρικός κύκλος αποτελείται ουσιαστικά από δύο φάσεις. Η πρώτη φάση είναι η ενδιάμεση φάση. Κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης, το κελί προετοιμάζεται για κυτταρική διαίρεση σε τρεις υποφάσεις που ονομάζονται σολ₁ φάση, Φάση S και σολ₂ φάση. Μέχρι το τέλος της ενδιάμεσης φάσης, όλα τα χρωμοσώματα στον πυρήνα του κυττάρου έχουν διπλασιαστεί. Σε όλα αυτά τα στάδια, το κελί συνεχίζει επίσης να ασχολείται με τις καθημερινές του λειτουργίες, όποιες κι αν είναι αυτές. Η ενδιάμεση φάση μπορεί να διαρκέσει ημέρες, εβδομάδες, χρόνια - και σε ορισμένες περιπτώσεις, για ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του οργανισμού. Τα περισσότερα νευρικά κύτταρα δεν αφήνουν ποτέ το G₁ στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, έτσι οι επιστήμονες έχουν ορίσει ένα ειδικό στάδιο για κύτταρα όπως αυτά που ονομάζονται G₀. Αυτό το στάδιο αφορά νευρικά κύτταρα και άλλα κύτταρα που δεν πρόκειται να περάσουν σε διαδικασία κυτταρικής διαίρεσης. Μερικές φορές αυτό συμβαίνει επειδή απλά δεν είναι έτοιμοι ή δεν έχουν οριστεί, όπως νευρικά κύτταρα ή μυϊκά κύτταρα, και αυτό ονομάζεται κατάσταση ηρεμίας. Άλλες φορές, είναι πολύ παλιά ή κατεστραμμένα, και αυτό ονομάζεται κατάσταση γήρανσης. Δεδομένου ότι τα νευρικά κύτταρα είναι χωριστά από τον κυτταρικό κύκλο, η βλάβη σε αυτά είναι ως επί το πλείστον ανεπανόρθωτη, σε αντίθεση με το a σπασμένα οστά, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα με τραυματισμούς στη σπονδυλική στήλη ή στον εγκέφαλο έχουν συχνά μόνιμο αναπηρίες.

Η δεύτερη φάση του κυτταρικού κύκλου καλείται μίτωση ή φάση Μ. Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, ο πυρήνας χωρίζεται σε δύο, στέλνοντας ένα αντίγραφο κάθε διπλού χρωμοσώματος σε καθέναν από τους δύο πυρήνες. Υπάρχουν τέσσερα στάδια μίτωσης, και αυτά είναι προφητεία, μεταφάση, ανάφαση και τηλεφαση. Περίπου την ίδια στιγμή που συμβαίνει η μίτωση, εμφανίζεται μια άλλη διαδικασία, που ονομάζεται κυτοκίνηση, η οποία είναι σχεδόν η δική της φάση. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία διαιρείται το κυτταρόπλασμα του κυττάρου και οτιδήποτε άλλο σε αυτό. Με αυτόν τον τρόπο, όταν ο πυρήνας χωρίζεται στα δύο, υπάρχουν δύο από τα πάντα στο περιβάλλον κύτταρο για να πάνε με κάθε πυρήνα. Μόλις ολοκληρωθεί η διαίρεση, η μεμβράνη του πλάσματος κλείνει γύρω από κάθε νέο κύτταρο και αποσπάται, χωρίζοντας εντελώς τα δύο νέα πανομοιότυπα κύτταρα μεταξύ τους. Αμέσως, και τα δύο κύτταρα βρίσκονται στο πρώτο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης: G₁.

σολ₁ σημαίνει Gap phase 1. Ο όρος «κενό» προέρχεται από μια εποχή που οι επιστήμονες ανακάλυψαν την κυτταρική διαίρεση με μικροσκόπιο και βρήκαν το μιτωτικό στάδιο πολύ συναρπαστικό και σημαντικό. Παρατήρησαν τον διαχωρισμό του πυρήνα και τη συνοδευτική κυτταροκινητική διαδικασία ως απόδειξη ότι όλα τα κύτταρα προέρχονταν από άλλα κύτταρα. ο στάδια ενδιάμεσης φάσης, ωστόσο, φαινόταν στατικό και ανενεργό. Ως εκ τούτου, τους θεώρησαν ως περιόδους ανάπαυσης ή κενά στη δραστηριότητα. Η αλήθεια, ωστόσο, είναι ότι ο G₁ - και Ζ₂ στο τέλος της ενδιάμεσης φάσης - είναι έντονες περίοδοι ανάπτυξης για το κύτταρο, στις οποίες το κύτταρο μεγαλώνει σε μέγεθος και συμβάλλει στην ευημερία του οργανισμού με οποιονδήποτε τρόπο «γεννήθηκε» να κάνει. Εκτός από τα κανονικά κυτταρικά καθήκοντά του, το κύτταρο δημιουργεί μόρια όπως πρωτεΐνες και ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA).

Εάν το DNA του κυττάρου δεν είναι κατεστραμμένο και το κύτταρο έχει αναπτυχθεί αρκετά, προχωρά στο δεύτερο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, που ονομάζεται Φάση S. Αυτό είναι σύντομο για τη φάση Σύνθεσης. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, όπως υποδηλώνει το όνομα, το κύτταρο αφιερώνει πολλή ενέργεια στη σύνθεση μορίων. Συγκεκριμένα, το κύτταρο αναπαράγει το DNA του, διπλασιάζοντας τα χρωμοσώματά του. Οι άνθρωποι έχουν 46 χρωμοσώματα στα σωματικά τους κύτταρα, τα οποία είναι όλα τα κύτταρα που δεν είναι αναπαραγωγικά κύτταρα (σπέρμα και ωάρια). Τα 46 χρωμοσώματα οργανώνονται σε 23 ομόλογα ζεύγη που ενώνονται μεταξύ τους. Κάθε χρωμόσωμα σε ένα ομόλογο ζεύγος ονομάζεται ομόλογο του άλλου. Όταν τα χρωμοσώματα αντιγράφονται κατά τη φάση S, τυλίγονται πολύ σφιχτά γύρω από την πρωτεΐνη ιστόνης κλώνοι που ονομάζονται χρωματίνη, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία αντιγραφής λιγότερο επιρρεπή σε σφάλματα αναπαραγωγής DNA, ή μετάλλαξη. Τα δύο νέα πανομοιότυπα χρωμοσώματα καλούνται τώρα το καθένα χρωματοειδή. Τα σκέλη των ιστονών συνδέουν τα δύο ίδια χρωματοειδή μεταξύ τους έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα είδος σχήματος Χ. Το σημείο όπου συνδέονται ονομάζεται κεντρομερές. Επιπλέον, τα χρωματοειδή εξακολουθούν να συνδέονται με το ομόλογό τους, το οποίο είναι επίσης ένα ζεύγος χρωματοειδών σχήματος Χ. Κάθε ζεύγος χρωματοειδών ονομάζεται χρωμόσωμα. Ο γενικός κανόνας είναι ότι δεν συνδέονται ποτέ περισσότερα από ένα χρωμόσωμα σε ένα εκατοστό.

Το τελευταίο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης είναι σολ₂, ή Gap phase 2. Σε αυτή τη φάση δόθηκε το όνομά της για τους ίδιους λόγους με τον G₁. Όπως και κατά τη διάρκεια του G₁ και στη φάση S, το κελί παραμένει απασχολημένο με τα τυπικά καθήκοντά του σε όλη τη φάση, ακόμα και όταν τελειώνει το έργο της ενδιάμεσης φάσης και προετοιμάζεται για μίτωση. Για να προετοιμαστεί για μίτωση, το κύτταρο διαιρεί τα μιτοχόνδριά του, καθώς και τους χλωροπλάστες του (εάν έχει). Αρχίζει να συνθέτει τους προδρόμους των ινών ατράκτου, που ονομάζονται μικροσωληνίσκοι. Κάνει αυτά με την αντιγραφή και στοίβαγμα των κεντρομερών των χρωματοειδών ζευγών στον πυρήνα του. Οι ίνες ατράκτου θα είναι ζωτικής σημασίας για τη διαδικασία της πυρηνικής διαίρεσης κατά τη διάρκεια της μίτωσης, όταν τα χρωμοσώματα θα πρέπει να διαχωριστούν στους δύο διαχωριστικούς πυρήνες. Η διασφάλιση ότι τα σωστά χρωμοσώματα φτάνουν στον σωστό πυρήνα και παραμένουν ζευγαρωμένα με το σωστό ομόλογο είναι κρίσιμα, για την αποφυγή γενετικών μεταλλάξεων.

Οι διαχωριστικοί δείκτες μεταξύ των φάσεων του κυτταρικού κύκλου και των υποφασικών ενδιάμεσων φάσεων και μιτώσεων είναι τεχνουργήματα που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να περιγράψουν τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης. Στη φύση, η διαδικασία είναι ρευστή και ατελείωτη. Το πρώτο στάδιο της μίτωσης ονομάζεται προφητεία. Ξεκινά με τα χρωμοσώματα στην κατάσταση στην οποία βρίσκονταν στο τέλος του G₂ στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, που αναπαράγεται με αδελφή χρωματοειδή που συνδέονται με κεντρομερή. Κατά τη διάρκεια της προφάσης, ο κλώνος της χρωματίνης συμπυκνώνεται, το οποίο επιτρέπει στα χρωμοσώματα (δηλαδή, κάθε ζεύγος αδελφών χρωματοειδών) να γίνουν ορατά υπό μικροσκοπία φωτός. Τα κεντρομερή συνεχίζουν να αναπτύσσονται σε μικροσωληνίσκους, που σχηματίζουν ίνες ατράκτου. Μέχρι το τέλος της προφύλαξης, η πυρηνική μεμβράνη διαλύεται και οι ίνες του άξονα συνδέονται για να σχηματίσουν ένα δομικό δίκτυο σε όλο το κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Δεδομένου ότι τα χρωμοσώματα επιπλέουν τώρα στο κυτόπλασμα, οι ίνες ατράκτου είναι το μόνο στήριγμα που τους εμποδίζει να αιωρούνται.

Το κύτταρο μετακινείται σε μεταφάση μόλις διαλύεται η πυρηνική μεμβράνη. Οι ίνες του άξονα μεταφέρουν τα χρωμοσώματα στον ισημερινό του κυττάρου. Αυτό το επίπεδο είναι γνωστό ως ισημερινός άξονα ή πλάκα μεταφάσης. Δεν υπάρχει τίποτα απτό εκεί. είναι απλώς ένα επίπεδο όπου όλα τα χρωμοσώματα ευθυγραμμίζονται, και το οποίο διαιρεί το κύτταρο είτε οριζόντια είτε κάθετα, ανάλογα με τον τρόπο που βλέπετε ή φαντάζεστε το κελί (για μια οπτική αναπαράσταση αυτού, δείτε Πόροι). Στους ανθρώπους, υπάρχουν 46 εκατοστόμετρα και το καθένα συνδέεται με ένα ζευγάρι χρωμιδικών αδελφών. Ο αριθμός των κεντρομερών εξαρτάται από τον οργανισμό. Κάθε κεντρομερές συνδέεται με δύο ίνες ατράκτου. Οι δύο ίνες του άξονα αποκλίνουν μόλις φύγουν από το κεντρομερές, έτσι ώστε να συνδέονται με δομές σε αντίθετους πόλους του κελιού.

Το κύτταρο μετατοπίζεται σε αναφάση, η οποία είναι η συντομότερη από τις τέσσερις φάσεις της μίτωσης. Οι ίνες ατράκτου που συνδέουν τα χρωμοσώματα με τους πόλους του κυττάρου συντομεύονται και απομακρύνονται προς τους αντίστοιχους πόλους τους. Με αυτόν τον τρόπο, διαχωρίζουν τα χρωμοσώματα στα οποία συνδέονται. Τα κεντρομερή επίσης χωρίστηκαν στα δύο καθώς το μισό ταξιδεύει με κάθε αδελφή χρωματοειδούς προς έναν αντίθετο πόλο. Δεδομένου ότι κάθε χρωματοειδές έχει τώρα τη δική του κεντρομερή, ονομάζεται πάλι χρωμόσωμα. Εν τω μεταξύ, επιμηκύνονται διαφορετικές ίνες ατράκτου που συνδέονται και στους δύο πόλους, προκαλώντας την αύξηση της απόστασης μεταξύ των δύο πόλων της κυψέλης, έτσι ώστε το κύτταρο να ισοπεδώνει και να επιμηκύνεται. Η διαδικασία της αναφάσης συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε μέχρι το τέλος, κάθε πλευρά του κυττάρου να περιέχει ένα αντίγραφο κάθε χρωμοσώματος.

Τηλοφάση είναι το τέταρτο και τελευταίο στάδιο της μίτωσης. Σε αυτό το στάδιο, τα εξαιρετικά σφιχτά συσκευασμένα χρωμοσώματα - τα οποία συμπυκνώθηκαν για να αυξήσουν την ακρίβεια της αντιγραφής - ξετυλίγονται. Οι ίνες του άξονα διαλύονται και ένα κυτταρικό οργανικό ονομάζεται ενδοπλασματικό πρόγραμμα συνθέτει νέες πυρηνικές μεμβράνες γύρω από κάθε σύνολο χρωμοσωμάτων. Αυτό σημαίνει ότι το κύτταρο έχει τώρα δύο πυρήνες, ο καθένας με ένα πλήρες γονιδίωμα. Η μίωση είναι πλήρης.

Τώρα που ο πυρήνας έχει διαιρεθεί, το υπόλοιπο κελί πρέπει να διαιρεθεί επίσης έτσι ώστε τα δύο κύτταρα να μπορούν να χωριστούν. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως κυτοκίνηση. Είναι μια ξεχωριστή διαδικασία από τη μίτωση, αν και συμβαίνει συχνά με τη μίτωση. Συμβαίνει διαφορετικά στα ζωικά και τα φυτικά κύτταρα, επειδή όπου τα ζωικά κύτταρα έχουν μόνο μια μεμβράνη κυττάρων πλάσματος, τα φυτικά κύτταρα έχουν ένα άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα. Και στα δύο είδη κυττάρων, υπάρχουν τώρα δύο ξεχωριστοί πυρήνες σε ένα κύτταρο. Στα ζωικά κύτταρα, ένας συσταλτικός δακτύλιος σχηματίζεται στο μεσαίο σημείο του κυττάρου. Αυτός είναι ένας δακτύλιος μικρο-ινών που κυριαρχούν γύρω από το κύτταρο, σφίγγοντας τη μεμβράνη πλάσματος στο κέντρο σαν κορσέ μέχρι να δημιουργήσει αυτό που είναι γνωστό ως αυλάκωση διάσπασης. Με άλλα λόγια, ο συσταλτικός δακτύλιος αναγκάζει το κελί να σχηματίσει ένα σχήμα κλεψύδρας που γίνεται όλο και πιο έντονο, έως ότου το κελί καρφωθεί εντελώς σε δύο ξεχωριστά κελιά. Στα φυτικά κύτταρα, ένα οργανικό που ονομάζεται σύμπλεγμα Golgi δημιουργεί κυστίδια, τα οποία είναι θύλακες υγρού που συνδέονται με μεμβράνη κατά μήκος του άξονα που διαιρεί το κύτταρο μεταξύ των δύο πυρήνων. Αυτά τα κυστίδια περιέχουν πολυσακχαρίτες που χρειάζονται για να σχηματίσουν την κυτταρική πλάκα, και την κυτταρική πλάκα τελικά συντήκεται με και γίνεται μέρος του κυτταρικού τοιχώματος που κάποτε στεγάζει το αρχικό μονό κελί, αλλά τώρα φιλοξενεί δύο κύτταρα.

Ο κυτταρικός κύκλος απαιτεί μεγάλη ρύθμιση για να βεβαιωθείτε ότι δεν προχωρά χωρίς να πληρούνται ορισμένες προϋποθέσεις εντός και εκτός του κελιού. Χωρίς αυτόν τον κανονισμό, θα υπήρχαν ανεξέλεγκτες γενετικές μεταλλάξεις, ανεξέλεγκτη ανάπτυξη κυττάρων (καρκίνος) και άλλα προβλήματα. Ο κύκλος των κυττάρων έχει ορισμένα σημεία ελέγχου για να βεβαιωθείτε ότι τα πράγματα προχωρούν σωστά. Εάν δεν είναι, γίνονται επισκευές ή ξεκινά ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος. Ένας από τους κύριους χημικούς ρυθμιστές του κυτταρικού κύκλου είναι η εξαρτώμενη από κυκλίνη κινάση (CDK). Υπάρχουν διαφορετικές μορφές αυτού του μορίου που λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία του κυτταρικού κύκλου. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη σελ. 53 παράγεται από κατεστραμμένο DNA στο κύτταρο και το οποίο θα απενεργοποιήσει το σύμπλεγμα CDK στο G₁/ S σημείο ελέγχου, συλλαμβάνοντας έτσι την πρόοδο του κελιού