מחזור תאים: הגדרה, שלבים, ויסות ועובדות

חלוקת תא חיוני לצמיחתו ובריאותו של אורגניזם. כמעט כל התאים עוסקים בחלוקת תאים; יש כאלה שעושים את זה פעמים רבות לאורך החיים שלהם. אורגניזם הולך וגדל, כמו עובר אנושי, משתמש בחלוקת תאים כדי להגדיל את גודלן והתמחותם של איברים בודדים. אפילו אורגניזמים בוגרים, כמו אדם בוגר בדימוס, משתמשים בחלוקת תאים לתחזוק ותיקון רקמת הגוף. מחזור התא מתאר את התהליך שבו התאים מבצעים את עבודתם המיועדת, גדלים ומתחלקים ואז מתחילים את התהליך שוב עם שני תאי הבת שהתקבלו. במאה ה -19, ההתקדמות הטכנולוגית במיקרוסקופיה אפשרה למדענים לקבוע שכל התאים נובעים מתאים אחרים בתהליך חלוקת התאים. זה הפריך לבסוף את האמונה הנפוצה בעבר שתאים נוצרו באופן ספונטני מחומר זמין. מחזור התא אחראי לכל החיים המתמשכים. לא משנה אם זה קורה בתאי אצות הנצמדות לסלע במערה או בתאי העור על זרועך, הצעדים זהים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

חלוקת תאים חיונית לצמיחה ובריאות של אורגניזם. מחזור התא הוא הקצב החוזר ונשנה של צמיחת תאים וחלוקה. הוא מורכב משלבי שלב ושל מיטוזה, כמו גם מתת הדגשים שלהם, ותהליך הציטוקינזה. מחזור התאים מווסת בקפדנות על ידי כימיקלים במחסומים לאורך כל שלב כדי לוודא מוטציות אינן מתרחשות וכי צמיחת תאים אינה מתרחשת מהר יותר ממה שבריא לסביבה רִקמָה.

מחזור התא מורכב למעשה משני שלבים. השלב הראשון הוא אינטראפאזה. במהלך שלב, התא נערך לחלוקת תאים בשלושה תת דגשים הנקראים ז₁ שלב, שלב S ו ז₂ שלב. בסוף האינטרפאזה, הכרומוזומים בגרעין התא שוכפלו כולם. לאורך כל השלבים הללו, התא ממשיך לנהל את תפקידיו היומיומיים, יהיו אלו אשר יהיו. Interphase יכול להימשך ימים, שבועות, שנים - ובמקרים מסוימים, לכל אורך החיים של האורגניזם. מרבית תאי העצב לעולם אינם עוזבים את ה- G.₁ בשלב אינטראפאז, ולכן מדענים הגדירו שלב מיוחד לתאים כמוהם הנקראים G₀. שלב זה מיועד לתאי עצב ותאים אחרים שלא ייכנסו לתהליך של חלוקת תאים. לפעמים זה בגלל שהם פשוט לא מוכנים או לא מיועדים להם, כמו תאי עצב או תאי שריר, וזה נקרא מצב של שקט. פעמים אחרות, הם זקנים מדי או פגומים, וזה נקרא מצב של הזדקנות. מכיוון שתאי עצב נפרדים ממעגל התאים, הפגיעה בהם היא לרוב בלתי ניתנת לתיקון, בניגוד ל- עצם שבורה, וזו הסיבה שאנשים הסובלים מפגיעות בעמוד השדרה או במוח לעיתים קרובות סובלים מתמיד מוגבלות.

השלב השני של מחזור התא נקרא מיטוזה, או שלב M. במהלך המיטוזה, הגרעין מתחלק לשניים, ושולח עותק אחד של כל כרומוזום משוכפל לכל אחד משני הגרעינים. ישנם ארבעה שלבי מיטוזה, ואלה הם נבואה, מטאפאזה, אנאפאזה ו טלופאז. בערך באותו זמן בו מתרחשת המיטוזה, מתרחש תהליך נוסף שנקרא ציטוקינזיס, שהוא כמעט שלב משלו. זה התהליך שבו הציטופלזמה של התא וכל השאר בו מתחלק. בדרך זו, כאשר הגרעין מתפצל לשניים, יש שניים מכל מה שנמצא בתא שמסביב לכל אחד מהגרעינים. לאחר השלמת החלוקה, קרום הפלזמה נסגר סביב כל תא חדש וצובט, ומחלק את שני התאים הזהים החדשים זה מזה לחלוטין. מיד, שני התאים נמצאים שוב בשלב הראשון של אינטראפאזה: G₁.

ז₁ מייצג את שלב פער 1. המונח "פער" מקורו בתקופה בה גילו מדענים חלוקת תאים במיקרוסקופ ומצאו כי השלב המיטוטי הוא מאוד מרגש וחשוב. הם צפו בחלוקת הגרעין ובתהליך הציטוקינטי הנלווה כהוכחה לכך שכל התאים הגיעו מתאים אחרים. ה שלבי אינטראפאזהעם זאת, נראה סטטי ולא פעיל. לכן הם חשבו עליהם כתקופות מנוחה, או פערים בפעילות. האמת, לעומת זאת, היא ש- G₁ - וג '₂ בסוף אינטראפאזה - יש תקופות גדילה שוקקות לתא, בהן התא גדל בגודלו ותורם לרווחת האורגניזם בכל דרך שהוא "נולד" לעשות. בנוסף לתפקידיו הסלולריים הרגילים, התא בונה מולקולות כמו חלבונים וחומצה ריבונוקלאית (RNA).

אם ה- DNA של התא לא ניזוק והתא גדל מספיק, הוא ממשיך לשלב השני של אינטראפאזה, שנקרא שלב S. זה קיצור של שלב הסינתזה. במהלך שלב זה, כפי שהשם מרמז, התא מקדיש הרבה אנרגיה לסינתזת מולקולות. באופן ספציפי, התא משכפל את ה- DNA שלו, ומשכפל את הכרומוזומים שלו. לבני אדם יש 46 כרומוזומים בתאים הסומטיים שלהם, שכולם תאים שאינם תאי רבייה (זרע וביציות). 46 הכרומוזומים מאורגנים ב -23 זוגות הומולוגיים המחוברים יחד. כל כרומוזום בזוג הומולוג נקרא הומולוג של השני. כאשר הכרומוזומים משוכפלים בשלב S, הם מפותלים בחוזקה רבה סביב חלבון היסטון קווצות הנקראות כרומטין, מה שהופך את תהליך הכפילות פחות נוטה לשגיאות שכפול DNA, או מוּטָצִיָה. שני כרומוזומים זהים חדשים נקראים כעת כל אחד כרומטידים. קווצות היסטונים קושרות את שני הכרומטידים הזהים יחד כך שהם יוצרים מעין צורת X. הנקודה בה הם קשורים נקראת צנטרומר. בנוסף, הכרומטידים עדיין מחוברים להומולוג שלהם, שהוא כיום גם זוג כרומטידות בצורת X. כל זוג כרומטידות נקרא כרומוזום; כלל האצבע הוא שלעולם אין יותר מכרומוזום אחד המחובר לצנטרומר אחד.

השלב האחרון של שלב השלבים הוא ז₂, או Gap שלב 2. שלב זה קיבל את שמו מאותן סיבות כמו G₁. ממש כמו במהלך G.₁ ובשלב S, התא נשאר עסוק במשימות האופייניות שלו לאורך כל השלב, גם כשהוא מסיים את עבודת האינטרפאזה ומתכונן למיטוזה. כדי להתכונן למיטוזה, התא מחלק את המיטוכונדריה שלו, כמו גם את הכלורופלסטים שלו (אם יש לו כאלה). זה מתחיל לסנתז את קודמיהם של סיבי הציר, הנקראים מיקרו-צינורות. זה עושה את זה על ידי שכפול וערימה של הצנטרומרים של זוגות הכרומטידים בגרעין שלו. סיבי הציר יהיו מכריעים בתהליך החלוקה הגרעינית בזמן המיטוזה, כאשר הכרומוזומים יצטרכו להיפרד זה מזה לשני הגרעינים המפרידים; יש לוודא שהכרומוזומים הנכונים מגיעים לגרעין הנכון ונשארים זוגיים עם ההומולוג הנכון הם מכריעים, כדי למנוע מוטציות גנטיות.

הסמנים המחלקים בין שלבי מחזור התא לבין תת הדגשים של אינטראפאזה ומיטוזה הם חפצים שמשתמשים בהם כדי להצליח לתאר את תהליך חלוקת התאים. בטבע התהליך הוא קולח ובלתי נגמר. השלב הראשון של המיטוזה נקרא נבואה. זה מתחיל בכרומוזומים במצב בו שהו בסוף ה- G.₂ שלב של שלב, משוכפל עם כרומטידות אחות המחוברות על ידי צנטרומרים. במהלך פרופסיה, גדיל הכרומטין מתעבה, מה שמאפשר לכרומוזומים (כלומר כל זוג כרומטידות אחות) להיראות במיקרוסקופ אור. הצנטרומרים ממשיכים לצמוח למיקרו-צינורות, היוצרים סיבי ציר. בסוף פרופאז, הקרום הגרעיני מתפרק, וסיבי הציר מתחברים ליצירת רשת מבנית ברחבי הציטופלזמה של התא. מכיוון שכעת הכרומוזומים צפים חופשיים בציטופלזמה, סיבי הציר הם התומך היחיד שמונע מהם לסטות.

התא עובר למטאפאזה ברגע שהקרום הגרעיני מתמוסס. סיבי הציר מעבירים את הכרומוזומים לקו המשווה של התא. מישור זה מכונה קו המשווה של הציר או לוחית המטאפאזה. אין שם שום דבר מוחשי; זה פשוט מישור שבו כל הכרומוזומים מסתדרים, ואשר חוצה את התא בצורה אופקית או באופן אנכי, תלוי איך אתה צופה או מדמיין את התא (לקבלת ייצוג חזותי של זה, ראה אֶמְצָעִי). בבני אדם ישנם 46 צנטרומרים, וכל אחד מהם מחובר לזוג אחיות כרומטיות. מספר המרכזים תלוי באורגניזם. כל צנטרומר מחובר לשני סיבי ציר. שני סיבי הציר מתפצלים ברגע שהם עוזבים את הצנטרומר, כך שהם מתחברים למבנים על קטבים מנוגדים של התא.

התא עובר לאנאפאזה, שהוא הקצר ביותר מבין ארבעת השלבים של המיטוזה. סיבי הציר המחברים את הכרומוזומים לקטבי התא מתקצרים ומתרחקים לעבר הקטבים שלהם. בכך הם מפרקים את הכרומוזומים אליהם הם מחוברים. הצנטרומרים מתפצלים גם הם לשניים כשמחציתם עוברת עם כל אחות כרומטית לעבר מוט הנגדי. מכיוון שלכל כרומטיד יש כעת צנטרומר משלו, הוא נקרא שוב כרומוזום. בינתיים, סיבי ציר שונים המחוברים לשני הקטבים מתארכים, מה שגורם למרחק בין שני הקטבים של התא לגדול, כך שהתא משתטח ומתארך. תהליך האנאפאזה מתרחש בצורה כזו שבסוף כל צד של התא מכיל עותק אחד של כל כרומוזום.

טלופאז הוא השלב הרביעי והאחרון של המיטוזה. בשלב זה, הכרומוזומים הארוזים ביותר - שהתמצו כדי להגביר את דיוק השכפול - מתפתלים. סיבי הציר מתמוססים ואורגנה תאית הנקראת רשתית אנדופלזמית מסנתז ממברנות גרעיניות חדשות סביב כל קבוצת כרומוזומים. משמעות הדבר היא כי לתא יש כעת שני גרעינים, שלכל אחד מהם גנום שלם. המיטוזה הושלמה.

כעת, לאחר שהגרעין חולק, גם שאר התא צריך להתחלק כדי ששני התאים יוכלו להיפרד. תהליך זה מכונה ציטוקינזיס. זהו תהליך נפרד ממיטוזה, אם כי לעתים קרובות זה מתרחש יחד עם מיטוזה. זה קורה אחרת בתאי בעלי חיים וצמחים, מכיוון שבמקום לתאי בעלי חיים יש רק קרום תאי פלזמה, לתאי הצמח יש קיר תא קשיח. בשני סוגי התאים, ישנם כיום שני גרעינים מובחנים בתא אחד. בתאי בעלי חיים נוצרת טבעת כיווץ בנקודת האמצע של התא. זוהי טבעת של מיקרופילמנטים הנמצאת סביב התא, מהדקת את קרום הפלזמה במרכז כמו מחוך עד שהיא יוצרת מה שמכונה תלם מחשוף. במילים אחרות, הטבעת המתכווצת גורמת לתא ליצור צורת שעון חול ההולכת ומתבטאת יותר ויותר, עד שהתא צובט לשני תאים נפרדים לחלוטין. בתאי צמח, אברון הנקרא קומפלקס גולגי יוצר שלפוחית, שהם כיסי נוזלים הקשורים לקרום לאורך הציר המחלק את התא בין שני הגרעינים. שלפוחיות אלה מכילות רב סוכרים הדרושים ליצירת לוחית התא, ובסופו של דבר לוחית התא מתמזג והופך לחלק מדופן התאים ששכן בעבר את התא הבודד המקורי, אך כיום הוא ביתם של שניים תאים.

מחזור התא דורש ויסות רב כדי לוודא שהוא לא ממשיך ללא תנאים מסוימים שמתקיימים בתוך התא ומחוצה לו. ללא תקנה זו, יהיו מוטציות גנטיות לא מבוקרות, צמיחת תאים (סרטן) מחוץ לשליטה ובעיות אחרות. למחזור התא יש מספר מחסומים כדי לוודא שהדברים מתנהלים כראוי. אם לא, מתבצעים תיקונים או מתחילים מוות של תאים מתוכננים. אחד הווסתים הכימיים העיקריים של מחזור התא הוא קינאז תלוי ציקלין (CDK). ישנן צורות שונות של מולקולה זו הפועלות בנקודות שונות במחזור התא. למשל, החלבון p53 מיוצר על ידי דנ"א פגום בתא ואשר יבטל את קומפלקס ה- CDK ב- G₁מחסום / S ובכך עוצר את התקדמות התא.