უჯრედის ციკლი: განმარტება, ფაზები, რეგულირება და ფაქტები

უჯრედების დაყოფა აუცილებელია ორგანიზმის ზრდისა და ჯანმრთელობისთვის. თითქმის ყველა უჯრედი მონაწილეობს უჯრედების დაყოფაში; ზოგი ამას სიცოცხლის ხანგრძლივობაში რამდენჯერმე აკეთებს. მზარდი ორგანიზმი, მაგალითად, ადამიანის ემბრიონი, იყენებს უჯრედების დაყოფას ცალკეული ორგანოების ზომისა და სპეციალიზაციის გასაზრდელად. სექსუალურ ორგანიზმებსაც კი, პენსიონერი ზრდასრული ადამიანის მსგავსად, იყენებენ უჯრედების დაყოფას სხეულის ქსოვილის შესანარჩუნებლად და აღსადგენად. უჯრედის ციკლი აღწერს პროცესს, რომლის დროსაც უჯრედები ასრულებენ დანიშნულ სამუშაოებს, იზრდებიან და ანაწილებენ და შემდეგ პროცესს ისევ იწყებენ ორი მიღებული ქალიშვილი უჯრედებით. მე -19 საუკუნეში მიკროსკოპიის ტექნოლოგიურმა მიღწევებმა მეცნიერებს საშუალება მისცა დაედგინათ, რომ ყველა უჯრედი სხვა უჯრედებიდან წარმოიქმნება უჯრედების დაყოფის პროცესის შედეგად. ამან საბოლოოდ უარყო ადრე გავრცელებული რწმენა იმისა, რომ უჯრედები სპონტანურად წარმოქმნიდნენ ხელმისაწვდომი ნივთიერებებიდან. უჯრედის ციკლი პასუხისმგებელია ყველა მიმდინარე სიცოცხლეზე. განურჩევლად იმისა, ეს მოხდება წყალმცენარეების უჯრედებში, რომლებიც მღვიმეში არსებულ კლდეზე არიან მიჯაჭვულნი ან თქვენს მკლავზე კანის უჯრედებში, ნაბიჯები იგივეა.

TL; DR (ძალიან გრძელია; არ წავიკითხე)

უჯრედების გაყოფა სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია ორგანიზმის ზრდისა და ჯანმრთელობისთვის. უჯრედული ციკლი არის უჯრედების ზრდისა და გაყოფის განმეორებითი რიტმი. იგი შედგება ინტერფაზისა და მიტოზის სტადიების, აგრეთვე მათი ქვეფაზებისა და ციტოკინეზის პროცესისაგან. უჯრედების ციკლი მკაცრად რეგულირდება ქიმიური საშუალებებით საგუშაგოებზე, ყოველი ნაბიჯის გადასაწყვეტად მუტაციები არ ხდება და რომ უჯრედების ზრდა უფრო სწრაფად არ ხდება, ვიდრე გარემომცველი ჯანმრთელია ქსოვილი.

უჯრედული ციკლი არსებითად შედგება ორი ფაზისაგან. პირველი ეტაპი არის ინტერფაზი. ინტერფაზის დროს, უჯრედი ემზადება უჯრედის გაყოფისთვის სამ ქვეფაზად, რომელსაც ეწოდება გ₁ ფაზა, S ფაზა და გ₂ ფაზა. ინტერფაზის ბოლოს უჯრედის ბირთვში ქრომოსომები გამეორებულია. ყველა ამ ეტაპის განმავლობაში, უჯრედი ასევე განაგრძობს თავის ყოველდღიურ ფუნქციებს, რაც არ უნდა იყოს ეს. ინტერფაზა შეიძლება გაგრძელდეს დღეების, კვირების, წლების განმავლობაში - ზოგიერთ შემთხვევაში, ორგანიზმის მთელი სიცოცხლის განმავლობაში. ნერვული უჯრედების უმეტესობა არასდროს ტოვებს G- ს₁ ინტერფაზის ეტაპი, ამიტომ მეცნიერებმა მათ მსგავსი უჯრედებისათვის სპეციალური ეტაპი დანიშნეს, რომელსაც G უწოდებენ₀. ეს ეტაპი არის ნერვული უჯრედების და სხვა უჯრედებისათვის, რომლებიც არ გადადიან უჯრედების დაყოფის პროცესში. ზოგჯერ ეს ხდება იმის გამო, რომ ისინი უბრალოდ არ არიან მზად ან არ არიან დანიშნულები, ნერვული უჯრედების ან კუნთების უჯრედების მსგავსად, და ამას quiescence მდგომარეობა ეწოდება. სხვა დროს, ისინი ძალიან ძველია ან დაზიანებული, და ამას ეწოდება სიბერის მდგომარეობა. ვინაიდან ნერვული უჯრედები განცალკევებულია უჯრედული ციკლისგან, მათი დაზიანება ძირითადად გამოუსწორებელია, განსხვავებით ა ძვლის მოტეხილობა და ეს არის მიზეზი, რომ ხერხემლის ან ტვინის დაზიანების მქონე ადამიანებს ხშირად აქვთ მუდმივი ინვალიდები.

უჯრედული ციკლის მეორე ფაზა ეწოდება მიტოზი, ან M ფაზა. მიტოზის დროს ბირთვი ორად იყოფა და თითოეული დუბლირებული ქრომოსომის თითო ასლს უგზავნის თითოეულ ორ ბირთვს. ოთხია მიტოზის ეტაპებიდა ესენი არიან პროფაზი, მეტაფაზა, ანაფაზი და ტელოფაზი. დაახლოებით იმავე დროს, როდესაც ხდება მიტოზი, ხდება სხვა პროცესი, ე.წ. ციტოკინეზი, რაც თითქმის საკუთარი ეტაპია. ეს არის პროცესი, რომლითაც იყოფა უჯრედის ციტოპლაზმა და მასში არსებული ყველაფერი. ამ გზით, როდესაც ბირთვი ორად გაიყოფა, მიმდებარე უჯრედში ორიდან ყველაა, რაც თითოეულ ბირთვთან ერთად უნდა წავიდეს. გაყოფის დასრულების შემდეგ, პლაზმური მემბრანა იკეტება ყოველი ახალი უჯრედის გარშემო და იჭიმება, ორი ახალი იდენტური უჯრედი ერთმანეთისგან მთლიანად იყოფა. მაშინვე, ორივე უჯრედი ისევ ინტერფაზის პირველ ეტაპზეა: გ₁.

გ₁ წარმოადგენს Gap ფაზა 1-ს. ტერმინი "უფსკრული" მომდინარეობს იმ დროიდან, როდესაც მეცნიერები მიკროსკოპით აღმოაჩინეს უჯრედების დაყოფა და მიტოზური ეტაპი ძალიან ამაღელვებელი და მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა. მათ დააფიქსირეს ბირთვის გაყოფა და ციტოკინეტიკური პროცესის თანმხლები პროცესი, როგორც მტკიცებულება იმისა, რომ ყველა უჯრედი სხვა უჯრედებიდან მოდის. ინტერფაზის ეტაპებითუმცა, სტატიკური და არააქტიური ჩანდა. ამიტომ, ისინი მათ დასვენების პერიოდებად ან საქმიანობაში არსებულ ხარვეზებად თვლიდნენ. თუმცა სიმართლე ისაა, რომ გ₁ - და გ₂ ინტერფაზის ბოლოს - არის უჯრედის ზრდის აქტიური პერიოდები, რომელშიც უჯრედი იზრდება ზომით და ხელს უწყობს ორგანიზმის კეთილდღეობას ნებისმიერი ფორმით, რაც მას "შეეძინა". უჯრედული რეგულარული მოვალეობების გარდა, უჯრედი აყალიბებს მოლეკულებს, როგორიცაა ცილები და რიბონუკლეინის მჟავა (RNA).

თუ უჯრედის დნმ არ არის დაზიანებული და უჯრედი საკმარისად გაიზარდა, ის გადადის ინტერფაზის მეორე ეტაპზე, ე.წ. S ფაზა. ეს არის მოკლე სინთეზის ფაზისთვის. ამ ფაზის განმავლობაში, როგორც სახელი გვთავაზობს, უჯრედი დიდ ენერგიას უთმობს მოლეკულების სინთეზირებას. კერძოდ, უჯრედი იმეორებს მის დნმ-ს, ასრულებს მის ქრომოსომებს. ადამიანს სომატურ უჯრედებში აქვს 46 ქრომოსომა, რომლებიც ყველა უჯრედები არ არიან რეპროდუქციული უჯრედები (სპერმატოზოიდები და კვერცხუჯრედები). 46 ქრომოსომა განლაგებულია 23 ჰომოლოგიურ წყვილად, რომლებიც გაერთიანებულია ერთმანეთთან. ჰომოლოგიური წყვილის თითოეულ ქრომოსომას სხვისი ჰომოლოგი ეწოდება. როდესაც S ფაზის დროს ქრომოსომები დუბლირდება, ისინი ძალიან მჭიდროდ იხვევიან ჰისტონის ცილის გარშემო ბოჭკოებს, რომლებსაც ქრომატინს უწოდებენ, რაც დუბლირების პროცესს ნაკლებად ემუქრება დნმ – ის რეპლიკაციის შეცდომების მიმართ, ან მუტაცია. ორი ახალი იდენტური ქრომოსომა ახლა თითოეულს ეწოდება ქრომატიდები. ჰისტონების ძაფები ერთმანეთთან აკავშირებს ორ ერთნაირ ქრომატიდს ისე, რომ ისინი ქმნიან ერთგვარ X ფორმას. წერტილს, სადაც ისინი არიან შეკრული, ეწოდება ცენტრომერი. გარდა ამისა, ქრომატიდები კვლავ შეუერთდა მათ ჰომოლოგს, რომელიც ახლაც წარმოადგენს X- ფორმის წყვილი ქრომატიდებს. ქრომატიდების თითოეულ წყვილს ქრომოსომა ეწოდება; ზოგადი წესია ის, რომ ერთ ცენტრომერზე არასდროს არის ერთზე მეტი ქრომოსომა.

ინტერფაზის ბოლო ეტაპია გ₂, ან Gap ფაზა 2. ამ ფაზას იგივე სახელი მიენიჭა, რაც გ₁. ისევე, როგორც გ₁ და S ფაზა, უჯრედი რჩება მთელი თავისი ეტაპისთვის დამახასიათებელი ამოცანებით, მიუხედავად იმისა, რომ იგი ამთავრებს ინტერფაზის მუშაობას და ემზადება მიტოზისთვის. მიტოზისთვის მოსამზადებლად, უჯრედი ყოფს მის მიტოქონდრიებს, ისევე როგორც მის ქლოროპლასტებს (ასეთის არსებობის შემთხვევაში). იგი იწყებს spindle ბოჭკოების წინამორბედების სინთეზს, რომლებსაც მიკროტუბლებს უწოდებენ. ეს ხდება მის ბირთვში ქრომატიდული წყვილების ცენტრომერების გამეორებით და დაგროვებით. Spindle ბოჭკოებს გადამწყვეტი მნიშვნელობა ექნება ბირთვული დაყოფის პროცესში მიტოზის დროს, როდესაც ქრომოსომები უნდა გაიყოს ორ გამყოფი ბირთვში; დარწმუნდით, რომ სწორი ქრომოსომები სწორ ბირთვამდე მოხვდებიან და სწორი ჰომოლოგთან დაწყვილებული რჩებიან, გენეტიკური მუტაციების თავიდან ასაცილებლად.

უჯრედის ციკლის ფაზებსა და ინტერფაზისა და მიტოზის ქვეფაზებს შორის გამყოფი მარკერები არის ის ნაკეთობები, რომლებსაც მეცნიერები იყენებენ, რათა შეძლონ უჯრედების დაყოფის პროცესის აღწერა. ბუნებაში, ეს პროცესი თხევადი და უსასრულოა. მიტოზის პირველ სტადიას ეწოდება პროფაზი. იგი იწყება ქრომოსომებით იმ მდგომარეობაში, სადაც ისინი იყვნენ G– ის ბოლოს₂ ინტერფაზის ეტაპი, გამრავლებული ცენტრომერებით დამაგრებული დის ქრომატიდებით. პროფაზის დროს, ქრომატინის ზოლი კონდენსირდება, რაც საშუალებას აძლევს ქრომოსომებს (ანუ დის თითოეულ ქრომატიდს) გახდეს ხილული სინათლის მიკროსკოპის ქვეშ. ცენტრომერები აგრძელებენ მიკროტუბულებად გადაქცევას, რომლებიც ქმნიან spindle ბოჭკოებს. პროფაზის ბოლოს ბირთვული მემბრანა იშლება და spindle ბოჭკოები უკავშირდება უჯრედის ციტოპლაზმის მთელ სტრუქტურულ ქსელს. მას შემდეგ, რაც ქრომოსომები ციოპლაზმაში თავისუფალი მცურავით მოძრაობენ, spindle ბოჭკოები ერთადერთი საყრდენია, რაც მათ ხელს უშლის მცურავ შეცდომას.

უჯრედი გადადის მეტაფაზაში, როგორც კი ბირთვული მემბრანა იშლება. Spindle ბოჭკოები გადააქვს ქრომოსომები უჯრედის ეკვატორზე. ეს თვითმფრინავი ცნობილია როგორც spindle ეკვატორი ან მეტაფაზური ფირფიტა. იქ საგრძნობი არაფერია; ეს არის უბრალოდ სიბრტყე, სადაც ყველა ქრომოსომაა განლაგებული და რომელიც ჰყოფს უჯრედს ან ჰორიზონტალურად, ან ვერტიკალურად, დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ ათვალიერებთ ან წარმოიდგენთ უჯრედს (ამის ვიზუალური გამოსახულებისათვის, იხილეთ იხ რესურსები). ადამიანებში 46 ცენტრომერია და თითოეული მათგანი დართულია წყვილ ქრომატიდულ დებთან. ცენტრომერების რაოდენობა დამოკიდებულია ორგანიზმზე. თითოეული ცენტრომერი უკავშირდება ორ spindle ბოჭკოს. ორი spindle ბოჭკო ერთმანეთს ეშლება ცენტრომერის დატოვებისთანავე, ისე, რომ ისინი უჯრედის საპირისპირო პოლუსების სტრუქტურებს დაუკავშირდებიან.

უჯრედი გადადის ანაფაზაში, რაც მიტოზის ოთხი ფაზიდან მოკლეა. Spindle ბოჭკოები, რომლებიც აკავშირებენ ქრომოსომებს უჯრედის პოლუსებთან, მოკლდება და გადაადგილდება მათი შესაბამისი პოლუსებისკენ. ამით ისინი აშორებენ ქრომოსომებს, რომლებზეც ერთვებიან. ცენტრომერები ასევე გაიყო ორად, რადგან ერთი ნახევარი თითოეულ ქრომატიდულ დასთან ერთად მიემართება საპირისპირო პოლუსისკენ. მას შემდეგ, რაც თითოეულ ქრომატიდს აქვს საკუთარი ცენტრომეტრი, მას ისევ ქრომოსომას უწოდებენ. ამასობაში, ორივე ბოძზე მიმაგრებული სხვადასხვა spindle ბოჭკო გრძელი ხდება, რის შედეგადაც უჯრედის ორ პოლუსს შორის მანძილი იზრდება, ამიტომ უჯრედის სიბრტყე და მოგრძოობა. ანაფაზის პროცესი ხდება ისე, რომ ბოლომდე, უჯრედის თითოეული მხარე შეიცავს თითოეული ქრომოსომის ერთ ასლს.

ტელოფაზი მიტოზის მეოთხე და ბოლო ეტაპია. ამ ეტაპზე უკიდურესად მჭიდროდ შეფუთული ქრომოსომები - რომლებიც შედედებული იყო გამრავლების სიზუსტის გასაზრდელად - იხსნება თავად. Spindle ბოჭკოები იშლება და ფიჭური ორგანოს ეწოდება ენდოპლაზმურ ბადეში ასინთეზებს ახალ ბირთვულ მემბრანებს ქრომოსომების თითოეული ნაკრების გარშემო. ეს ნიშნავს, რომ უჯრედს ახლა აქვს ორი ბირთვი, რომელთაგან თითოეული სრული გენომია. მიტოზი დასრულებულია.

ახლა, როდესაც ბირთვი გაიყო, საჭიროა დანარჩენი უჯრედის გაყოფაც, რომ ორ უჯრედს დაშორდეს. ეს პროცესი ცნობილია როგორც ციტოკინეზი. ეს არის მიტოზისგან დამოუკიდებელი პროცესი, თუმცა ხშირად იგი მიტოზთან ერთად ხდება. ცხოველისა და მცენარის უჯრედებში ეს სხვაგვარად ხდება, რადგან იქ, სადაც ცხოველურ უჯრედებს მხოლოდ პლაზმური უჯრედისი აქვთ, მცენარეულ უჯრედებს ხისტი უჯრედის კედელი აქვთ. ორივე ტიპის უჯრედებში ახლა ერთ უჯრედში ორი განსხვავებული ბირთვია. ცხოველურ უჯრედებში იქმნება კუმშვადი რგოლი უჯრედის შუა წერტილში. ეს არის მიკროფილაქსების რგოლი, რომელიც უჯრედის გარშემო იჭიმება და პლაზმური მემბრანა მკაცრდება ცენტრში, კორსეტივით მანამ, სანამ არ შექმნის ნაყოფის ფურცელს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონტრაქციული რგოლი იწვევს უჯრედის ქვიშის საათის ფორმას, რომელიც უფრო და უფრო მკვეთრად გამოირჩევა, სანამ უჯრედი მთლიანად ორ ცალკეულ უჯრედად არ იქცევა. მცენარეთა უჯრედებში, ორგანული, რომელსაც გოლჯის კომპლექსს უწოდებენ, ქმნის ბუშტუკებს, რომლებიც თხევადი გარსის შეკრული ჯიბეებია ღერძის გასწვრივ, რომელიც უჯრედს ყოფს ორ ბირთვს შორის. ეს ბუშტუკები შეიცავს პოლისაქარიდებს, რომლებიც საჭიროა უჯრედის ფირფიტის, საბოლოოდ კი უჯრედის ფირფიტის შესაქმნელად ერწყმის და ხდება უჯრედის კედლის ნაწილი, რომელიც ერთ დროს თავდაპირველ ერთ უჯრედს ინახავდა, ახლა კი ორი ცხოვრობს უჯრედები.

უჯრედის ციკლი მოითხოვს დიდ რეგულირებას, რათა დარწმუნდეთ, რომ იგი არ გაგრძელდება უჯრედის შიგნით და მის გარეთ გარკვეული პირობების შესრულების გარეშე. ამ რეგულაციის გარეშე წარმოიქმნება შეუმოწმებელი გენეტიკური მუტაციები, კონტროლის გარეშე მყოფი უჯრედების ზრდა (კიბო) და სხვა პრობლემები. უჯრედების ციკლს აქვს მრავალი საგუშაგო, რათა დარწმუნდეთ, რომ საქმე სწორად მიმდინარეობს. თუ ეს არ არის, ხდება შეკეთება, ან იწყება უჯრედების დაპროგრამებული სიკვდილი. უჯრედის ციკლის ერთ-ერთი ძირითადი ქიმიური მარეგულირებელი არის ციკლინზე დამოკიდებული კინაზა (CDK). ამ მოლეკულის სხვადასხვა ფორმა არსებობს, რომლებიც მოქმედებს უჯრედული ციკლის სხვადასხვა წერტილში. მაგალითად, ცილა p53 წარმოიქმნება უჯრედში დაზიანებული დნმ-ით და ის გაააქტიურებს CDK კომპლექსს G- ზე₁/ S გამშვები პუნქტი, რითაც ხდება უჯრედის პროგრესის დაკავება.