Šūnu cikls: definīcija, fāzes, regulēšana un fakti

Šūnu dalīšanās ir vitāli svarīga organisma augšanai un veselībai. Gandrīz visas šūnas iesaistās šūnu dalīšanās procesā; daži to mūža laikā dara vairākas reizes. Augošs organisms, piemēram, cilvēka embrijs, izmanto šūnu dalīšanos, lai palielinātu atsevišķu orgānu lielumu un specializāciju. Pat nobrieduši organismi, piemēram, pensionēts pieaugušais cilvēks, izmanto šūnu dalīšanos, lai uzturētu un labotu ķermeņa audus. Šūnu cikls apraksta procesu, kurā šūnas veic noteiktos darbus, aug un dalās, un pēc tam atkal sāk procesu ar divām iegūtajām meitas šūnām. 19. gadsimtā tehnoloģiskie sasniegumi mikroskopijā ļāva zinātniekiem noteikt, ka visas šūnas rodas no citām šūnām šūnu dalīšanās procesā. Tas beidzot atspēkoja iepriekš izplatīto pārliecību, ka šūnas spontāni radās no pieejamās vielas. Šūnu cikls ir atbildīgs par visu notiekošo dzīvi. Neatkarīgi no tā, vai tas notiek aļģu šūnās, kas pieķeras alā akmenim, vai jūsu ādas šūnās, soļi ir vienādi.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Šūnu dalīšanās ir būtiska organisma augšanai un veselībai. Šūnu cikls ir atkārtots šūnu augšanas un dalīšanās ritms. Tas sastāv no starpfāzes un mitozes posmiem, kā arī to apakšfāzēm un citokinēzes procesa. Šūnu ciklu stingri regulē ķīmiskas vielas kontrolpunktos visā katrā posmā, lai pārliecinātos par to mutācijas nenotiek, un ka šūnu augšana nenotiek ātrāk, nekā tas ir veselīgi apkārtējiem audi.

Šūnu cikls būtībā sastāv no divām fāzēm. Pirmā fāze ir starpfāzu. Starpfāzes laikā šūna gatavojas šūnu dalīšanai trīs apakšfāzēs, kuras sauc G₁ fāze, S fāze un G₂ fāze. Starpfāzes beigās visas šūnas kodola hromosomas ir dublētas. Visos šajos posmos šūna arī turpina pildīt savas ikdienas funkcijas, lai kādas tās būtu. Starpfāzes var ilgt vairākas dienas, nedēļas, gadus - un dažos gadījumos visā organisma dzīves laikā. Lielākā daļa nervu šūnu nekad neatstāj G₁ starpfāzes posms, tāpēc zinātnieki šādām šūnām ir noteikuši īpašu posmu, ko sauc par G₀. Šis posms ir paredzēts nervu šūnām un citām šūnām, kuras neiedziļinās šūnu dalīšanās procesā. Dažreiz tas notiek tāpēc, ka viņi vienkārši nav gatavi vai nav norīkoti, piemēram, nervu šūnas vai muskuļu šūnas, un to sauc par miera stāvokli. Citreiz tie ir pārāk veci vai bojāti, un to sauc par novecošanās stāvokli. Tā kā nervu šūnas ir atsevišķi no šūnu cikla, to bojājumi lielākoties ir neatgriezeniski, atšķirībā no a salauzts kauls, un tas ir iemesls, kāpēc cilvēkiem ar mugurkaula vai smadzeņu traumām bieži ir pastāvīgi invalīdiem.

Tiek saukta šūnas cikla otrā fāze mitoze jeb M fāze. Mitozes laikā kodols sadalās divās daļās, nosūtot vienu kopiju no katras dublētās hromosomas uz katru no diviem kodoliem. Ir četri mitozes stadijas, un tie ir pareģot, metafāze, anafāze un telofāze. Aptuveni tajā pašā laikā, kad notiek mitoze, notiek vēl viens process, ko sauc citokinēze, kas ir gandrīz pati sava fāze. Šis ir process, kurā dalās šūnas citoplazma un viss pārējais tajā. Tādā veidā, kad kodols sadalās divās daļās, apkārtējā šūnā ir divi no visiem, kas iet kopā ar katru kodolu. Kad dalīšana ir pabeigta, plazmas membrāna aizveras ap katru jauno šūnu un saspiežas, pilnībā sadalot abas jaunās identiskās šūnas. Tūlīt abas šūnas atkal atrodas pirmajā fāzes posmā: G₁.

G₁ nozīmē Gap 1. fāzi. Termins “plaisa” nāk no laika, kad zinātnieki mikroskopā atklāja šūnu dalīšanos un uzskatīja, ka mitotiskais posms ir ļoti aizraujošs un svarīgs. Viņi novēroja kodola dalīšanos un pavadošo citokinētisko procesu kā pierādījumu tam, ka visas šūnas nāk no citām šūnām. The starpfāzes posmitomēr šķita statiska un neaktīva. Tāpēc viņi tos uzskatīja par atpūtas periodiem vai darbības trūkumiem. Tomēr patiesība ir tāda, ka G₁ - un G₂ starpfāzes beigās - šūnai ir rosīgi augšanas periodi, kuros šūna aug pēc izmēra un veicina organisma labsajūtu neatkarīgi no tā, kā tas ir “dzimis”. Papildus regulāriem šūnu pienākumiem šūna veido tādas molekulas kā olbaltumvielas un ribonukleīnskābi (RNS).

Ja šūnas DNS nav bojāts un šūna ir pietiekami izaugusi, tā nonāk starpfāzes otrajā posmā, ko sauc S fāze. Tas ir īss sintēzes posms. Šajā fāzē, kā norāda nosaukums, šūna daudz enerģijas velta molekulu sintezēšanai. Konkrēti, šūna atkārto savu DNS, dublējot tās hromosomas. Cilvēka somatiskajās šūnās ir 46 hromosomas, kas visas ir šūnas, kas nav reproduktīvās šūnas (sperma un olšūnas). 46 hromosomas ir sakārtotas 23 homologos pāros, kas ir savienoti kopā. Katru homologa pāra hromosomu sauc par otra homologu. Kad S fāzes laikā hromosomas tiek dublētas, tās ļoti cieši savijas ap histona proteīnu - virknes, ko sauc par hromatīnu, kas padara dublēšanās procesu mazāk pakļautu DNS replikācijas kļūdām, vai mutācija. Tagad tiek sauktas abas jaunās identiskās hromosomas hromatīdi. Histonu virknes sasaista abus identiskos hromatīdus tā, lai tie veidotu sava veida X formu. Vietu, kur tie ir sasieti, sauc par centromēru. Turklāt hromatīdi joprojām ir savienoti ar to homologu, kas tagad ir arī X formas hromatīdu pāris. Katru hromatīdu pāri sauc par hromosomu; īkšķis ir tāds, ka pie viena centromēra nekad nav piestiprināta vairāk nekā viena hromosoma.

Starpfāžu pēdējais posms ir G₂vai sprauga 2. fāze. Šai fāzei tika dots nosaukums tādu pašu iemeslu dēļ kā G₁. Tāpat kā G laikā₁ un S fāze, šūna visā posmā saglabājas aizņemta ar tipiskiem uzdevumiem, pat ja tā pabeidz starpfāžu darbu un gatavojas mitozei. Lai sagatavotos mitozei, šūna sadala savus mitohondrijus, kā arī hloroplastus (ja tādi ir). Tas sāk sintezēt vārpstas šķiedru prekursorus, kurus sauc par mikrotubuliem. Tas tos padara, atkārtojot un sakraujot hromatīdu pāru centromērus savā kodolā. Vārpstas šķiedrām būs izšķiroša nozīme kodola dalīšanās procesā mitozes laikā, kad hromosomas būs jāatvelk divos atdalošajos kodolos; Lai novērstu ģenētiskās mutācijas, ir svarīgi pārliecināties, ka pareizās hromosomas nonāk pareizajā kodolā un paliek pārī ar pareizo homologu.

Dalošie marķieri starp šūnu cikla fāzēm un starpfāžu un mitozes apakšfāzēm ir artifikāti, kurus zinātnieki izmanto, lai varētu aprakstīt šūnu dalīšanās procesu. Dabā process ir plūstošs un nebeidzams. Tiek saukts pirmais mitozes posms pareģot. Tas sākas ar hromosomām tādā stāvoklī, kādā tās atradās G beigās₂ fāzes fāze, kas atkārtota ar centromēru piestiprinātām māsas hromatīdām Profāzes laikā hromatīna virkne kondensējas, kas ļauj hromosomām (tas ir, katram māsas hromatīdu pārim) kļūt redzamām gaismas mikroskopijas laikā. Centromeri turpina izaugt mikrotubulos, kas veido vārpstas šķiedras. Līdz fāzes beigām kodola membrāna sadalās, un vārpstas šķiedras savienojas, veidojot strukturālu tīklu visā šūnas citoplazmā. Tā kā hromosomas citoplazmā tagad peld brīvi, vārpstas šķiedras ir vienīgais balsts, kas neļauj tām nomaldīties.

Šūna pārvietojas metafāzē, tiklīdz kodola membrāna izšķīst. Vārpstas šķiedras pārvieto hromosomas uz šūnas ekvatoru. Šī plakne ir pazīstama kā vārpstas ekvators vai metafāzes plāksne. Tur nav nekā taustāma; tā ir vienkārši plakne, kurā visas hromosomas sakrīt, un kura dala šūnu vai nu horizontāli, vai arī vertikāli, atkarībā no tā, kā jūs skatāties vai iztēlojaties šūnu (lai to vizuāli attēlotu, skat Resursi). Cilvēkiem ir 46 centromeri, un katrs no tiem ir piestiprināts hromatīdu māsu pārim. Centromēru skaits ir atkarīgs no organisma. Katrs centromērs ir savienots ar divām vārpstas šķiedrām. Abas vārpstas šķiedras, izejot no centromēra, atšķiras, tā savienojoties ar šūnas pretējos polos esošajām struktūrām.

Šūna pāriet anafāzē, kas ir īsākais no četrām mitozes fāzēm. Vārpstas šķiedras, kas savieno hromosomas ar šūnas poliem, saīsinās un virzās uz savu attiecīgo polu pusi. To darot, viņi izvelk hromosomas, kurām tie ir pievienoti. Centromeri arī sadalās divās daļās, kad puse ar katru hromatīda māsu virzās pretējā pola virzienā. Tā kā katrai hromatīdai tagad ir savs centromērs, to atkal sauc par hromosomu. Tikmēr dažādas vārpstas šķiedras, kas piestiprinātas abiem poliem, pagarinās, izraisot attāluma palielināšanos starp abiem šūnas poliem, tā ka šūna izlīdzinās un pagarinās. Anafāzes process notiek tā, ka līdz beigām katra šūnas puse satur vienu katras hromosomas kopiju.

Telofāze ir mitozes ceturtā un pēdējā pakāpe. Šajā posmā ārkārtīgi cieši iesaiņotās hromosomas, kuras tika kondensētas, lai palielinātu replikācijas precizitāti, pašas atritina. Vārpstas šķiedras izšķīst, un šūnu organelle, ko sauc par Endoplazmatiskais tīkls sintezē jaunas kodola membrānas ap katru hromosomu komplektu. Tas nozīmē, ka šūnai tagad ir divi kodoli, no kuriem katram ir pilnīgs genoms. Mitoze ir pabeigta.

Tagad, kad kodols ir sadalīts, jāsadalās arī pārējai šūnai, lai abas šūnas varētu šķirties. Šis process ir pazīstams kā citokinēze. Tas ir atsevišķs process no mitozes, lai gan tas bieži notiek vienlaikus ar mitozi. Dzīvnieku un augu šūnās tas notiek citādi, jo tur, kur dzīvnieku šūnās ir tikai plazmas šūnu membrāna, augu šūnās ir stingra šūnu siena. Abu veidu šūnās tagad vienā šūnā ir divi atšķirīgi kodoli. Dzīvnieku šūnās saraušanās gredzens veidojas šūnas viduspunktā. Tas ir mikrošķiedru gredzens, kas cinkojas ap šūnu, savelkot plazmas membrānu centrā kā korsete, līdz tas izveido tā saukto šķelšanās vagu. Citiem vārdiem sakot, saraušanās gredzena dēļ šūna veido smilšu pulksteņa formu, kas kļūst arvien izteiktāka, līdz šūna pilnībā saspiežas divās atsevišķās šūnās. Augu šūnās organelle, ko sauc par Golgi kompleksu, veido pūslīšus, kas ir ar membrānu saistītas šķidruma kabatas gar asi, kas sadala šūnu starp diviem kodoliem. Šajos pūslīšos ir polisaharīdi, kas nepieciešami, lai izveidotu šūnu plāksni, un galu galā arī šūnu plāksne saplūst ar šūnas sienu un kļūst par tās sienas daļu, kurā kādreiz atradās sākotnējā vienšūna, bet tagad tajā dzīvo divas šūnas.

Šūnu ciklam ir nepieciešams liels regulējums, lai pārliecinātos, ka tas nenotiek, ja nav izpildīti noteikti nosacījumi šūnā un ārpus tās. Bez šīs regulas pastāvētu nepārbaudītas ģenētiskās mutācijas, ārpuskontroles šūnu augšana (vēzis) un citas problēmas. Šūnu ciklā ir vairāki kontrolpunkti, lai pārliecinātos, ka lietas norit pareizi. Ja tā nav, tiek veikts remonts vai tiek sākta ieprogrammēta šūnu nāve. Viens no primārajiem šūnu cikla ķīmiskajiem regulatoriem ir ciklīnatkarīgā kināze (CDK). Šai molekulai ir dažādas formas, kas darbojas dažādos šūnu cikla punktos. Piemēram, olbaltumvielas 53. lpp ražo bojāta DNS šūnā un kas deaktivizēs CDK kompleksu pie G₁/ S kontrolpunkts, tādējādi arestējot šūnas progresu.