Ląstelių ciklas: apibrėžimas, fazės, reguliavimas ir faktai

Ląstelių dalijimasis yra gyvybiškai svarbus organizmo augimui ir sveikatai. Beveik visos ląstelės užsiima ląstelių dalijimusi; kai kurie tai daro kelis kartus per visą savo gyvenimą. Augantis organizmas, pavyzdžiui, žmogaus embrionas, naudoja ląstelių dalijimąsi, kad padidintų atskirų organų dydį ir specializaciją. Net subrendę organizmai, kaip ir pensininkas suaugęs žmogus, naudoja ląstelių dalijimąsi palaikydami ir atstatydami kūno audinius. Ląstelių ciklas apibūdina procesą, kurio metu ląstelės atlieka paskirtą darbą, auga ir dalijasi, o tada vėl pradeda procesą dviem gautomis dukterinėmis ląstelėmis. XIX amžiuje technologinė pažanga mikroskopijoje leido mokslininkams nustatyti, kad visos ląstelės atsiranda iš kitų ląstelių ląstelių dalijimosi proceso metu. Tai galutinai paneigė anksčiau paplitusį įsitikinimą, kad ląstelės savaime susidaro iš turimos medžiagos. Ląstelių ciklas yra atsakingas už visą tęstinį gyvenimą. Nepriklausomai nuo to, ar tai įvyksta oloje prilipusių dumblių ląstelėse, ar ant jūsų rankos odos ląstelių, žingsniai yra vienodi.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Ląstelių dalijimasis yra gyvybiškai svarbus organizmo augimui ir sveikatai. Ląstelių ciklas yra pasikartojantis ląstelių augimo ir dalijimosi ritmas. Jis susideda iš interfazės ir mitozės stadijų, taip pat jų posfazių ir citokinezės proceso. Kiekviename etape ląstelių ciklas yra griežtai kontroliuojamas chemikalais, kad būtų užtikrinta mutacijos nevyksta ir tas ląstelių augimas nevyksta greičiau, nei sveika aplinkiniams audinio.

Ląstelių ciklas iš esmės susideda iš dviejų fazių. Pirmasis etapas yra tarpfazis. Interfazės metu ląstelė ruošiasi ląstelių dalijimuisi trijose fazėse, vadinamose G₁ fazė, S fazė ir G₂ fazė. Interfazės pabaigoje visos ląstelės branduolio chromosomos buvo dubliuojamos. Per visus šiuos etapus ląstelė ir toliau vykdo savo kasdienes funkcijas, kad ir kokios jos būtų. Interfazė gali trukti kelias dienas, savaites, metus - o kai kuriais atvejais - visą organizmo gyvenimo trukmę. Dauguma nervinių ląstelių niekada nepalieka G₁ tarpfazės stadija, todėl mokslininkai ląstelėms, kaip jie, paskyrė specialų etapą, vadinamą G₀. Šis etapas skirtas nervinėms ląstelėms ir kitoms ląstelėms, kurios nebus pereinamos į ląstelių dalijimosi procesą. Kartais taip yra todėl, kad jie tiesiog nėra pasirengę ar nėra tam skirti, kaip nervų ląstelės ar raumenų ląstelės, ir tai vadinama ramybės būsena. Kitais atvejais jie yra per seni arba pažeisti, ir tai vadinama senėjimo būsena. Kadangi nervinės ląstelės yra atskiros nuo ląstelių ciklo, jų pažeidimas dažniausiai yra nepataisomas, skirtingai nuo a lūžęs kaulas, ir tai yra priežastis, dėl kurios žmonės, turintys stuburo ar smegenų traumų, dažnai patiria nuolatinį negalią.

Antrasis ląstelių ciklo etapas vadinamas mitozė arba M fazė. Mitozės metu branduolys dalijasi į dvi dalis, siunčiant po vieną kiekvienos pasikartojančios chromosomos kopiją į kiekvieną iš dviejų branduolių. Ten yra keturi mitozės stadijosir tai yra pranašauti, metafazė, anafazė ir telofazė. Maždaug tuo pačiu metu, kai vyksta mitozė, įvyksta kitas procesas, vadinamas citokinezė, kuris yra beveik jos pačios etapas. Tai yra procesas, kurio metu dalijasi ląstelės citoplazma ir visa kita. Tokiu būdu, kai branduolys dalijasi į dvi dalis, aplink jį esančioje ląstelėje yra du dalykai. Pabaigus dalijimąsi, plazmos membrana užsidaro aplink kiekvieną naują ląstelę ir užspaudžiama, visiškai padalijant dvi naujas identiškas ląsteles. Iškart abi ląstelės vėl yra pirmoje fazių stadijoje: G₁.

G₁ reiškia 1 spragos etapą. Terminas „spraga“ kilęs iš tų laikų, kai mokslininkai mikroskopu atrado ląstelių dalijimąsi ir nustatė, kad mitozės stadija yra labai įdomi ir svarbi. Jie pastebėjo, kad branduolys dalijasi ir jį lydintis citokinetinis procesas yra įrodymas, kad visos ląstelės yra iš kitų ląstelių. tarpsnių tarpsniaivis dėlto atrodė statiška ir neaktyvi. Todėl jie manė juos kaip poilsio laikotarpius arba veiklos spragas. Tačiau tiesa ta, kad G₁ - ir G.₂ tarpfazės pabaigoje - šurmuliuojantys ląstelės augimo periodai, kurių metu ląstelė auga ir prisideda prie organizmo savijautos bet kokiu būdu, kurį jis „gimė“. Be įprastų ląstelinių pareigų, ląstelė sukuria tokias molekules kaip baltymai ir ribonukleino rūgštis (RNR).

Jei ląstelės DNR nėra pažeista ir ląstelė pakankamai išaugo, ji pereina į antrąjį tarpsenos tarpsnį, vadinamąjį S fazė. Tai trumpas sintezės etapas. Šios fazės metu, kaip rodo pavadinimas, ląstelė daug energijos skiria molekulių sintezei. Tiksliau, ląstelė pakartoja savo DNR, dubliuodama savo chromosomas. Žmonių somatinėse ląstelėse yra 46 chromosomos, kurios yra visos ląstelės, kurios nėra reprodukcinės ląstelės (spermatozoidai ir kiaušialąstės). 46 chromosomos yra suskirstytos į 23 homologines poras, kurios yra sujungtos. Kiekviena homologinės poros chromosoma vadinama kitos homologe. Kai chromosomos dubliuojasi S fazės metu, jos labai glaudžiai susisuka aplink histono baltymą - grandinės, vadinamos chromatinu, dėl ko dubliavimo procesas yra mažiau linkęs į DNR replikacijos klaidas, arba mutacija. Dabar vadinamos dvi naujos tapačios chromosomos chromatidės. Histonų grandinės sujungia abu identiškus chromatidus, kad jie suformuotų tam tikrą X formą. Vieta, kur jie yra surišti, vadinama centromera. Be to, chromatidės vis dar yra sujungtos su jų homologu, kuris dabar taip pat yra X formos chromatidų pora. Kiekviena chromatidų pora vadinama chromosoma; nykščio taisyklė yra ta, kad prie vieno centromero niekada nėra prijungta daugiau nei viena chromosoma.

Paskutinis tarpfazių etapas yra G₂arba 2 spragos etapas. Šiai fazei buvo suteiktas vardas dėl tų pačių priežasčių kaip ir G₁. Visai kaip per G₁ ir S fazės metu ląstelė lieka užimta tipiškų užduočių visoje stadijoje, net kai baigia tarpskaitos darbą ir ruošiasi mitozei. Norėdama pasirengti mitozei, ląstelė padalija savo mitochondrijas, taip pat chloroplastus (jei tokių yra). Jis pradeda sintetinti verpstės pluoštų, vadinamų mikrovamzdeliais, pirmtakus. Tai padaro, atkartodamas ir sukraunamas chromatidų porų centromerus į savo branduolį. Verpstės skaidulos bus labai svarbios branduolio dalijimosi procesui mitozės metu, kai chromosomos turės būti ištrauktos į du atskiriančius branduolius; norint užkirsti kelią genetinėms mutacijoms, būtina įsitikinti, kad teisingos chromosomos patenka į teisingą branduolį ir lieka suporuotos su tinkamu homologu.

Skirstomieji žymenys tarp ląstelių ciklo fazių ir tarpfazių bei mitozės posfazių yra dirbtiniai dirbiniai, kuriuos mokslininkai naudoja norėdami apibūdinti ląstelių dalijimosi procesą. Gamtoje procesas yra sklandus ir nesibaigiantis. Pirmasis mitozės etapas vadinamas pranašauti. Jis prasideda chromosomomis būsenoje, kurioje jie buvo G gale₂ tarpfazės stadija, atkartojama seserinėmis chromatidėmis, pritvirtintomis centromerų. Profazės metu chromatino grandinė kondensuojasi, o tai leidžia chromosomoms (tai yra kiekvienai seserinių chromatidų porai) tapti matomomis šviesos mikroskopu. Centromerai toliau auga į mikrovamzdelius, kurie formuoja verpstės pluoštus. Pasibaigus profazei, branduolio membrana suyra, o verpstės pluoštai susijungia ir sudaro struktūrinį tinklą visoje ląstelės citoplazmoje. Kadangi chromosomos laisvai plaukioja citoplazmoje, verpstės pluoštai yra vienintelė atrama, sulaikanti juos nuo klystkelių.

Ląstelė pereina į metafazę, kai tik ištirpsta branduolio membrana. Verpstės skaidulos perkelia chromosomas į ląstelės pusiaują. Ši plokštuma yra žinoma kaip verpstės pusiaujas arba metafazinė plokštė. Ten nėra nieko apčiuopiamo; tai tiesiog plokštuma, kurioje visos chromosomos sutampa ir kuri padalija ląstelę horizontaliai arba horizontaliai vertikaliai, atsižvelgiant į tai, kaip žiūrite ar įsivaizduojate langelį (vizualiai tai vaizduokite žr Šaltiniai). Žmonėse yra 46 centromerai, ir kiekvienas iš jų yra pritvirtintas prie chromatidinių seserų poros. Centromerų skaičius priklauso nuo organizmo. Kiekvienas centromeras yra sujungtas su dviem verpstės pluoštais. Du verpstės pluoštai išsiskiria, kai jie palieka centromerą, todėl jie jungiasi su priešingų ląstelės polių struktūromis.

Ląstelė pereina į anafazę, kuri yra trumpiausia iš keturių mitozės fazių. Verpstės skaidulos, jungiančios chromosomas su ląstelės poliais, sutrumpėja ir tolsta link jų atitinkamų polių. Tai darydami, jie ištraukia chromosomas, prie kurių jie yra prijungti. Centromeros taip pat dalijasi į dvi dalis, kai pusė su kiekviena chromatidine seserimi keliauja priešingo poliaus link. Kadangi kiekviena chromatidė dabar turi savo centromerą, ji vėl vadinama chromosoma. Tuo tarpu skirtingi verpstės pluoštai, pritvirtinti prie abiejų polių, ilgėja, todėl atstumas tarp dviejų ląstelės polių auga, todėl ląstelė išsilygina ir pailgėja. Anafazės procesas vyksta taip, kad pabaigoje kiekvienoje ląstelės pusėje yra po vieną kiekvienos chromosomos kopiją.

Telofazė yra ketvirtoji ir paskutinė mitozės stadija. Šiame etape itin sandariai supakuotos chromosomos, kurios buvo kondensuotos, kad padidėtų replikacijos tikslumas, pačios išsivynioja. Verpstės skaidulos ištirpsta, o ląstelių organelė vadinama endoplazminis Tinklelis sintetina naujas branduolio membranas aplink kiekvieną chromosomų rinkinį. Tai reiškia, kad ląstelė dabar turi du branduolius, kurių kiekvienas turi pilną genomą. Mitozė baigta.

Dabar, kai branduolys yra padalintas, reikia dalytis ir likusiai ląstelei, kad abi ląstelės galėtų išsiskirti. Šis procesas yra žinomas kaip citokinezė. Tai yra atskiras procesas nuo mitozės, nors jis dažnai vyksta kartu su mitoze. Gyvūnų ir augalų ląstelėse vyksta kitaip, nes ten, kur gyvūnų ląstelės turi tik plazmos ląstelių membraną, augalų ląstelės turi standžią ląstelių sienelę. Abiejų rūšių ląstelėse dabar yra du skirtingi branduoliai vienoje ląstelėje. Gyvūnų ląstelėse susitraukiantis žiedas susidaro ląstelės viduryje. Tai mikrofilamentų žiedas, kuris cinkuoja aplink ląstelę, sutraukdamas plazmos membraną centre kaip korsetas, kol sukuria vadinamąją skilimo vagą. Kitaip tariant, dėl susitraukimo žiedo ląstelė suformuoja smėlio laikrodžio formą, kuri tampa vis ryškesnė, kol ląstelė visiškai susispaus į dvi atskiras ląsteles. Augalų ląstelėse organelė, vadinama Golgi kompleksu, sukuria pūsleles, kurios yra membranomis susietos skysčio kišenės išilgai ašies, padalijančios ląstelę tarp dviejų branduolių. Tose pūslelėse yra polisacharidų, kurie reikalingi ląstelės plokštelei formuoti, ir galiausiai - ląstelių plokštelei susilieja su ląstelės sienele, kuri kadaise buvo originali vienguba, ir dabar tampa jos dalimi ląstelių.

Ląstelių ciklui reikalingas didelis reguliavimas, kad įsitikintumėte, jog jis nevyksta, jei nėra įvykdytos tam tikros sąlygos ląstelės viduje ir išorėje. Be šio reglamento atsirastų nepatikrintos genetinės mutacijos, nekontroliuojamas ląstelių augimas (vėžys) ir kitos problemos. Ląstelių cikle yra daugybė kontrolinių taškų, kad įsitikintumėte, jog viskas vyksta teisingai. Jei jų nėra, atliekamas remontas arba pradedama užprogramuota ląstelių mirtis. Vienas iš pagrindinių ląstelių ciklo cheminių reguliatorių yra nuo ciklino priklausoma kinazė (CDK). Yra įvairių šios molekulės formų, veikiančių skirtinguose ląstelės ciklo taškuose. Pavyzdžiui, baltymai p53 gamina pažeista DNR ląstelėje ir kuri deaktyvuos CDK kompleksą G₁/ S kontrolinis punktas, tokiu būdu sulaikant ląstelės pažangą.