Solusykli: Määritelmä, vaiheet, säätely ja tosiasiat

Solujen jakautuminen on elintärkeää organismin kasvulle ja terveydelle. Lähes kaikki solut osallistuvat solujen jakautumiseen; jotkut tekevät sen useita kertoja elämänsä aikana. Kasvava organismi, kuten ihmisalkio, käyttää solujen jakautumista yksittäisten elinten koon ja erikoistumisen lisäämiseksi. Jopa kypsät organismit, kuten eläkkeellä oleva aikuinen ihminen, käyttävät solujen jakautumista kehokudoksen ylläpitoon ja korjaamiseen. Solusykli kuvaa prosessia, jolla solut tekevät nimettyjä töitä, kasvavat ja jakautuvat ja aloittavat prosessin sitten uudelleen kahdella tuloksena olevalla tytärsolulla. 1800-luvulla mikroskopian tekninen kehitys antoi tutkijoille mahdollisuuden määrittää, että kaikki solut syntyvät muista soluista solujen jakautumisprosessin kautta. Tämä kumosi lopulta aiemmin yleisen uskomuksen siitä, että solut syntyivät spontaanisti käytettävissä olevasta aineesta. Solusykli on vastuussa koko käynnissä olevasta elämästä. Riippumatta siitä, tapahtuuko luolan kallioon tarttuneissa leväsoluissa vai käsivarren ihosoluissa, vaiheet ovat samat.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Solujen jakautuminen on elintärkeää organismin kasvulle ja terveydelle. Solusykli on solujen kasvun ja jakautumisen toistuva rytmi. Se koostuu vaiheiden välisestä vaiheesta ja mitoosista sekä niiden alivaiheista ja sytokineesiprosessista. Solusykliä säännellään tiukasti kemikaalien avulla tarkistuspisteissä jokaisen vaiheen ajan sen varmistamiseksi mutaatioita ei tapahdu ja että solujen kasvu ei tapahdu nopeammin kuin mikä on terveellistä ympäröiville kudos.

Solusykli koostuu olennaisesti kahdesta vaiheesta. Ensimmäinen vaihe on interfaasi. Interfaasin aikana solu valmistautuu solujen jakautumiseen kolmessa alifaasissa, joita kutsutaan G₁ vaihe, S-vaihe ja G₂ vaihe. Interfaasin loppuun mennessä solun ytimen kromosomit ovat kaikki päällekkäisiä. Kaikkien näiden vaiheiden läpi solu jatkaa myös päivittäisiä toimintojaan, olivatpa ne mitä tahansa. Interfaasi voi kestää päiviä, viikkoja, vuosia - ja joissakin tapauksissa koko organismin eliniän. Suurin osa hermosoluista ei koskaan jätä G: tä₁ vaiheen vaihe, joten tutkijat ovat nimenneet erityisvaiheen niiden kaltaisille soluille, nimeltään G₀. Tämä vaihe on tarkoitettu hermosoluille ja muille soluille, jotka eivät mene solujen jakautumisprosessiin. Joskus tämä johtuu siitä, että he eivät yksinkertaisesti ole valmiita tai ei ole määrätty, kuten hermosolut tai lihassolut, ja sitä kutsutaan lepotilaksi. Muina aikoina ne ovat liian vanhoja tai vaurioituneita, ja sitä kutsutaan vanhenemisen tilaksi. Koska hermosolut ovat erillään solusyklistä, niiden vahingoittuminen on enimmäkseen korjaamatonta, toisin kuin a murtunut luu, ja tämä on syy siihen, että selkärangan tai aivovamman omaavilla ihmisillä on usein pysyvä vammaiset.

Solusyklin toista vaihetta kutsutaan mitoosi tai M-vaihe. Mitoosin aikana ydin jakautuu kahteen osaan, joka lähettää yhden kopion jokaisesta päällekkäisestä kromosomista kumpaankin ytimeen. Niitä on neljä mitoosin vaiheetja nämä ovat profaasi, metafaasi, anafaasi ja telofaasi. Noin samaan aikaan, kun mitoosi tapahtuu, tapahtuu toinen prosessi, nimeltään sytokineesi, joka on melkein oma vaihe. Tämä on prosessi, jolla solun sytoplasma ja kaikki muu siinä jakautuu. Tällä tavoin, kun ydin jakautuu kahteen osaan, ympäröivässä solussa on kaksi kaikkea kunkin ytimen kanssa. Kun jakaminen on valmis, plasmamembraani sulkeutuu jokaisen uuden solun ympärille ja puristuu irti, jakamalla kaksi uutta identtistä solua kokonaan toisistaan. Heti molemmat solut ovat taas välivaiheen ensimmäisessä vaiheessa: G₁.

G₁ tarkoittaa aukkovaihetta 1. Termi "aukko" tulee ajasta, jolloin tutkijat löysivät solujen jakautumisen mikroskoopilla ja pitivät mitoottisen vaiheen erittäin jännittävänä ja tärkeänä. He havaitsivat, että ydin jakautuu ja siihen liittyvä sytokineettinen prosessi todisteena siitä, että kaikki solut ovat peräisin muista soluista. vaiheiden välinen vaihetuntui kuitenkin staattiselta ja passiiviselta. Siksi he ajattelivat heidät lepojaksoiksi tai aukkoiksi toiminnassa. Totuus on kuitenkin se, että G₁ - ja G₂ välivaiheen lopussa - ovat solulle vilkkaita kasvujaksoja, joissa solu kasvaa kooltaan ja edistää organismin hyvinvointia millä tavalla tahansa se "syntyi" tekemään. Säännöllisten solutehtäviensä lisäksi solu rakentaa molekyylejä, kuten proteiineja ja ribonukleiinihappoa (RNA).

Jos solun DNA ei ole vaurioitunut ja solu on kasvanut tarpeeksi, se etenee vaiheen toiseen vaiheeseen, nimeltään S-vaihe. Tämä on lyhyt synteesivaiheelle. Tämän vaiheen aikana, kuten nimestä voi päätellä, solu käyttää paljon energiaa molekyylien syntetisoimiseksi. Erityisesti solu replikoi DNA: nsa, kopioimalla kromosomit. Ihmisen somaattisissa soluissa on 46 kromosomia, jotka kaikki ovat soluja, jotka eivät ole lisääntymissoluja (siittiöitä ja munasoluja). 46 kromosomia on järjestetty 23 homologiseksi pariksi, jotka on yhdistetty toisiinsa. Kutakin homologisen parin kromosomia kutsutaan toisen homologiksi. Kun kromosomit monistuvat S-vaiheen aikana, ne kelautuvat hyvin tiukasti histoniproteiinin ympärille - kromatiiniksi kutsutut säikeet, mikä tekee kopiointiprosessista vähemmän altis DNA-replikaatiovirheille, tai mutaatio. Kaksi uutta identtistä kromosomia kutsutaan nyt kumpikin kromatidit. Histoneiden säikeet sitovat kaksi identtistä kromatidia yhteen siten, että ne muodostavat eräänlaisen X-muodon. Pistettä, johon ne ovat sitoutuneet, kutsutaan sentromeeriksi. Lisäksi kromatidit liitetään edelleen homologiinsa, joka on nyt myös X-muotoinen kromatidipari. Kutakin kromatidiparia kutsutaan kromosomiksi; nyrkkisääntö on, että yhteen sentromeeriin ei ole kiinnitetty koskaan enemmän kuin yksi kromosomi.

Interfaasin viimeinen vaihe on G₂tai aukkovaihe 2. Tämä vaihe sai nimensä samoista syistä kuin G₁. Aivan kuten G: n aikana₁ ja S-vaiheessa solu pysyy kiireisenä tyypillisissä tehtävissään koko vaiheen ajan, vaikka se lopettaa välivaiheen työn ja valmistautuu mitoosiin. Valmistautuakseen mitoosiin solu jakaa mitokondrionsa sekä kloroplastinsa (jos sellaista on). Se alkaa syntetisoida karakuitujen edeltäjiä, joita kutsutaan mikrotubuleiksi. Se tekee nämä replikoimalla ja pinoamalla kromatidiparien sentromeerit ytimessään. Karakuidut ovat ratkaisevia ydinjakautumisprosessille mitoosin aikana, kun kromosomit on vedettävä erilleen kahteen erottavaan ytimeen; Geenimutaatioiden estämiseksi on tärkeää varmistaa, että oikeat kromosomit pääsevät oikeaan ytimeen ja pysyvät pariksi oikean homologin kanssa.

Solusyklin vaiheiden sekä interfaasien ja mitoosin osa-alueiden väliset jakomerkit ovat keinotekoisia, joita tutkijat käyttävät pystyäkseen kuvaamaan solujen jakautumisprosessia. Luonnossa prosessi on sujuva ja loputon. Mitoosin ensimmäistä vaihetta kutsutaan profaasi. Se alkaa kromosomeista tilassa, jossa ne olivat G: n päässä₂ interfaasivaihe, replikoituna sentromereiden kiinnittämillä sisarkromatideilla. Profaasin aikana kromatiinijuoste tiivistyy, mikä antaa kromosomien (toisin sanoen jokaisen sisarkromatidiparin) tulla näkyviksi valomikroskopiassa. Sentromeerit kasvavat edelleen mikrotubuleiksi, jotka muodostavat karakuituja. Profaasin lopussa ydinkalvo hajoaa, ja karan kuidut muodostavat yhteyden muodostaen rakenteellisen verkon solun koko sytoplasmassa. Koska kromosomit kelluvat nyt vapaasti sytoplasmassa, karakuidut ovat ainoa tuki, joka estää heitä harhauttamasta.

Solu siirtyy metafaasiin heti, kun ydinkalvo liukenee. Karakuidut siirtävät kromosomit solun päiväntasaajalle. Tämä taso tunnetaan karan päiväntasaajana tai metafaasilevynä. Siinä ei ole mitään konkreettista; se on yksinkertaisesti taso, jossa kaikki kromosomit ovat linjassa ja joka puolittaa solun joko vaakasuoraan tai pystysuunnassa, riippuen siitä, miten katsot tai kuvittelet solua (katso visuaalinen esitys tästä Resurssit). Ihmisillä on 46 sentromeeria, ja kukin on kiinnitetty pariin kromatidisiskoja. Sentromeerien lukumäärä riippuu organismista. Jokainen sentromeri on kytketty kahteen karakuituun. Kaksi karakuitua eroavat toisistaan, kun ne lähtevät sentromeeristä, niin että ne kytkeytyvät solun vastakkaisten napojen rakenteisiin.

Solu siirtyy anafaasiin, joka on lyhin mitoosin neljästä vaiheesta. Karan kuidut, jotka yhdistävät kromosomit solun napoihin, lyhenevät ja siirtyvät pois kohti vastaavia napojaan. Tällöin he vetävät erilleen kromosomit, joihin ne ovat kiinnittyneet. Sentromeerit jakautuvat myös kahtia, kun puolet kulkee jokaisen kromatidisiskon kanssa vastakkaista napaa kohti. Koska jokaisella kromatidilla on nyt oma centromeerinsa, sitä kutsutaan taas kromosomiksi. Samaan aikaan eri karan kuidut, jotka on kiinnitetty molempiin napoihin, pidentyvät aiheuttaen solun kahden napan välisen etäisyyden kasvavan siten, että solu litistyy ja venyy. Anafaasiprosessi tapahtuu siten, että loppuun mennessä solun kummallakin puolella on yksi kopio kustakin kromosomista.

Telefaasi on mitoosin neljäs ja viimeinen vaihe. Tässä vaiheessa erittäin tiiviisti pakatut kromosomit - jotka tiivistettiin replikaatiotarkkuuden lisäämiseksi - kelaavat itsensä. Karakuidut liukenevat ja soluorganelli, jota kutsutaan endoplasminen verkkokalvo syntetisoi uusia ydinkalvoja jokaisen kromosomijoukon ympärillä. Tämä tarkoittaa, että solulla on nyt kaksi ydintä, joista jokaisella on täydellinen genomi. Mitoosi on valmis.

Nyt, kun ydin on jaettu, myös muun solun on jaettava, jotta kaksi solua voivat erota. Tämä prosessi tunnetaan nimellä sytokineesi. Se on erillinen prosessi mitoosista, vaikka se esiintyy usein yhdessä mitoosin kanssa. Se tapahtuu eri tavalla eläin- ja kasvisoluissa, koska missä eläinsoluilla on vain plasmasolukalvo, kasvisoluilla on jäykkä soluseinä. Molemmissa soluissa yhdessä solussa on nyt kaksi erillistä ydintä. Eläinsoluissa supistuva rengas muodostuu solun keskipisteeseen. Tämä on mikrofilamenttirengas, joka puristuu solun ympärille ja kiristää plasmamembraania keskellä korsettia, kunnes se luo niin sanotun pilkkoutumisvaon. Toisin sanoen supistumisrengas saa solun muodostamaan tiimalasin muodon, joka tulee yhä selvemmäksi, kunnes solu puristuu kokonaan kahteen erilliseen soluun. Kasvisoluissa organelli, nimeltään Golgi-kompleksi, luo rakkuloita, jotka ovat membraaniin sitoutuneita nestetaskuja pitkin akselia, joka jakaa solun kahden ytimen välillä. Nämä vesikkelit sisältävät polysakkarideja, joita tarvitaan solulevyn ja lopulta solulevyn muodostamiseen sulautuu sellaisen soluseinän kanssa ja tulee osaksi soluseinää, jossa aikoinaan oli alkuperäinen yksittäinen kenno, mutta nyt asuu kaksi soluja.

Solusykli vaatii paljon säätelyä varmistaakseen, että se ei etene ilman tiettyjen ehtojen täyttymistä solun sisällä ja ulkopuolella. Ilman kyseistä sääntelyä olisi tarkastamattomia geneettisiä mutaatioita, kontrolloimattomien solujen kasvu (syöpä) ja muita ongelmia. Solusyklissä on useita tarkistuspisteitä varmistaakseen, että asiat etenevät oikein. Jos niitä ei ole, korjaukset tehdään tai ohjelmoitu solukuolema aloitetaan. Yksi solusyklin ensisijaisista kemiallisista säätelijöistä on sykliiniriippuvainen kinaasi (CDK). Tällä molekyylillä on erilaisia ​​muotoja, jotka toimivat solusyklin eri kohdissa. Esimerkiksi proteiini s. 53 solun vaurioitunut DNA tuottaa ja joka deaktivoi CDK-kompleksin G: ssä₁/ S-tarkistuspiste ja pysäyttää siten solun etenemisen.